Bibliothèque de thèses

Equipe : Commande, Electronique de puissance, Outils et méthodes numériques, Réseaux

1. "Integrating Haptic Feedback in Smart Devices: Multimodal Interfaces and Design Guidelines"
   Detjon BRAHIMAJ, Thèse, Janvier 2024, url, résumé

   La question de l'introduction d'un retour haptique multimodal dans les produits de consommation devient aujourd'hui cruciale, avec l'avènement d'une société de plus en plus tournée vers les solutions numériques. Les smartphones et tablettes, qui reposent entièrement sur des écrans tactiles pour l'interaction avec l'utilisateur, sont désormais couramment utilisé pour accéder à Internet et, par exemple, interagir avec l'administration (34% des Européens). Étant donné que ces appareils sont rentables, la croissance future repose principalement sur les applications et le développement de logiciels qui peuvent être réalisés dans le divertissement, l'éducation et la formation technique. Cette conclusion est vraie dans le secteur de la RV en pleine expansion. Paradoxalement, les appareils sont désormais accessibles à plus de personnes, mais un segment de la population est exclu des développements numériques: les personnes âgées qui ont du mal à utiliser les écrans tactiles, et les personnes ayant une déficience visuelle ou auditive. En effet, les ordinateurs et autres appareils fournissent des informations aux utilisateurs presque exclusivement grâce à un retour visuel et auditif. Description de l'emploi: Effectuer de nouvelles recherches sous la supervision de membres du personnel académique et d'un conseiller industriel dans la conception de dispositifs permettant un retour haptique multimodal, Collaborer avec un partenaire industriel pour introduire un retour haptique multimodal dans applications automobiles Participer aux activités du programme MULTITOUCH: assister à des ateliers de formation, collaborer avec les partenaires du réseau et entreprendre des détachements périodiques chez les organisations partenaires de MULTITOUCH, Produire des documents écrits au besoin pendant leurs études de doctorat et contribuer aux activités d'engagement et de diffusion de MULTITOUCH Présenter régulièrement des rapports d'étape comme l'exige le programme de recherche MULTITOUCH

1. "Du composant au conducteur dans la boucle de simulation pour le test de véhicules électriques hybrides"
   Florian TOURNEZ, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Le concept de Driver-In-the-Loop ont déjà été développés dans le cadre de la formation des conducteurs ou dans les jeux vidéo. Mais ils ne comprennent pas de composants de puissance testés mais seulement la simulation en temps réel de modèles simples de sous-systèmes de traction. Dans cette thèse de doctorat, le concept de DIL doit être étendu au test de composants réels en interaction avec le comportement réel d'un conducteur.

2. "Mise à l'échelle des entraînements électromécaniques pour la conception au niveau système dans les premières phases de développement des véhicules électriques"
   Ayoub AROUA, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   L'industrie automobile est contrainte d'accélérer le développement et le déploiement des véhicules électrifiés à un rythme sans précédent, afin d'aligner le secteur du transport avec les objectifs climatiques. La réduction du temps de développement des véhicules électriques devient une priorité urgente. D'autre part, l'industrie est confrontée à une complexité accrue et à l'ampleur de l'espace de conception des chaînes de traction électrifiées émergentes. Les approches existantes pour aborder la conception des composants, notamment les méthodes numériques telles que la méthode des éléments finis, la mécanique des fluides numérique, etc., reposent sur un processus de conception détaillé. Cela entraîne une longue charge de calcul lorsqu'on essaie de les intégrer au niveau système. L'accélération des premières phases de développement des véhicules électrifiés nécessite de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils, permettant d'explorer l'espace de conception au ni-veau système. Ces méthodologies devraient permettre d'évaluer les différents choix de pré-dimensionnement des chaînes de traction électrifiées dans les phases de pré-étude. Cette évaluation devrait se faire de manière efficace en termes de temps de calcul, tout en garan-tissant des résultats fiables en termes de consommation énergétique au niveau système. Pour relever ce défi, cette thèse de doctorat vise à développer une méthodologie de mise à l'échelle pour les systèmes d'entraînement électromécaniques, permettant l'étude au niveau système de différents véhicules électriques. Un système d'entraînement électromécanique se compose d'un ensemble comprenant un onduleur, une machine électrique, un réducteur mécanique et une unité de contrôle. La procédure de mise à l'échelle vise à prédire les données d'une conception nouvellement définie d'un composant donné avec des spécifications différentes sur la base d'une conception de référence, sans avoir à refaire des étapes qui demandent beaucoup de temps et d'efforts. À cette fin, différentes formulations de lois de mise à l'échelle des composants du système d'entraînement électromécanique sont examinées en détail et comparées au niveau composant en termes de mise à l'échelle de la perte de puissance. Un accent particulier est mis sur l'examen de la méthode de mise à l'échelle linéaire des pertes par une homothétie, qui est largement employée dans les études au niveau système. En effet, cette méthode présente des hypothèses discutables et n'a pas fait l'objet d'une étude approfondie. En outre, l'une des principales contributions de ce travail est la formulation des lois de mise à l'échelle des pertes de puissance des réducteurs mécaniques, qui ont été identifiées comme une lacune dans la littérature actuelle. Pour ce faire, une campagne expérimentale intensive a été menée sur des réducteurs mécaniques commerciaux. Pour intégrer les lois d'échelle au niveau système et étudier l'interaction entre les composants mis à l'échelle, le formalisme de la représentation macroscopique énergétique est utilisé. La nouveauté de la méthode proposée réside dans la structuration d'un modèle et d'une commande évolutifs du système d'entraînement électromécanique de référence à utiliser dans la simulation au niveau système. La nouvelle organisation consiste en un modèle et une commande de référence complétés par deux éléments d'adaptation de puissance du côté électrique et mécanique. Ces derniers éléments prennent en compte les effets d'échelle, y compris les pertes de puissance. La méthodologie est appliquée à différents cas d'étude de véhicules électriques à batterie, allant des véhicules légers aux véhicules lourds. Une attention particulière est accordée à l'évaluation de l'impact de la méthode de la mise à l'échelle linéaire sur la consommation d'énergie, en tenant compte de différents facteurs de mise à l'échelle de la puissance et des cycles de conduite, par rapport à d'autres méthodes de mise à l'échelle avec une haute-fidélité.

3. "Conception d’un entraînement électrique polyphasé tolérants aux défauts, compatible avec la production en grande série"
   Antonin RIBIERE, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Le changement climatique est une réalité et les industries les plus polluantes, comme le secteur de la mobilité, doivent s’adapter. L’électrification des véhicules apparaît alors comme un des leviers à actionner pour réduire les émissions dans ce secteur. Cette évolution vers des véhicules plus électriques permet de nouvelles architectures et l’autonomisation de plus en plus de fonctions. De relativement nouvelles applications apparaissent, telles que le steer by wire ou le brake by wire, dans lesquelles il n’existe plus de lien mécanique entre le conducteur et les organes d’actionnement. Ces applications touchent directement à la sécurité des personnes et c’est pourquoi elles doivent avoir un haut niveau de fiabilité. Si un défaut apparaît, l’entraînement électrique doit pouvoir assurer un minimum de fonctionnement afin de permettre au conducteur de se garer en toute sécurité. Dans le cas de véhicules totalement autonomes, comme les convois de camions ou les flottes partagées, garder le même niveau de fonctionnement après l’apparition d’un ou plusieurs défauts est également intéressant. Néanmoins, les entraînements triphasés traditionnels ne permettent pas de répondre à ces exigences. A contrario, les entraînements polyphasés ont déjà été investigués pour des applications navales ou aéronautiques pour lesquels les exigences de fiabilité sont hautes, mais où les volumes sont relativement faibles. C’est pourquoi cette thèse vise à concevoir un entraînement polyphasé et son contrôle pour des applications automobiles sécuritaires, tout en prenant en compte des contraintes de coût et d’industrialisation.
   Des outils d’évaluation de la fiabilité ont tout d’abord été étudiés et appliqués afin de vérifier le gain offert par les entraînements polyphasés. Malgré une augmentation du nombre de composants, la fiabilité fonctionnelle est améliorée à travers les modes dégradés qui permettent de conserver une partie de la fonctionnalité. Le contrôle d’un entraînement polyphasé diffère d’un contrôle triphasé, mais peut être vu comme l’extension du contrôle classique dans la base d-q, avec des éléments supplémentaires à considérer. Une approche de comparaison de différents entraînements polyphasés a été proposée, en incluant des critères relatifs au coût et au fonctionnement en mode dégradé. A l’issue de cette étude, une machine double pentaphasée a été prototypée et a permis de tester les différents algorithmes de commande après défaut. Les changements des références de courant et l’ajout de réseaux de neurones simple couche en parallèle des régulateurs PI, ont permis un gain significatif sur les performances de l’entraînement après défaut. Cette thèse a mis en évidence les nombreuses contraintes lors du dimensionnement d’un entraînement tolérant aux défauts, avec la nécessité de prendre en compte tant le moteur que son convertisseur. En particulier, il est nécessaire de prendre en considération les limites de l’entraînement complet, aussi bien en mode sain qu’en mode dégradé, afin de maximiser le niveau de fonctionnalité tout en minimisant le surdimensionnement.

4. "Reduction of energy consumption of a subway carrousel"
   Ryan O. BERRIEL, Manuscrit de thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Urbanization has led to a surge in demand for efficient urban mobility. As cities grow, the need for sustainable transport solutions becomes vital. Subways, characterized by their high capacity and relatively low emissions, have emerged as a favored solution to address this growing interest. However, while they offer numerous advantages, they also present challenges, especially in the scope of energy efficiency and management. The MEL (Métropole Européenne de Lille) is committed to exploring the potential energy savings on its transport network, underscoring the importance of evaluating adapted solutions in specific urban contexts.
   This PhD thesis explores the energy efficiency challenges of subway systems, particularly, solutions for reduction of energy consumption. A dynamical model and a flexible simulation tool for subway carousel energy studies is developed. They are validated by experimental results on a real track, as well by a dedicated reduced-scale and flexible experimental platform using the Hardware-In-the-Loop principle. This platform enables the test of specific cases, which are difficult to measure on the real track. Simplified models are then proposed to reduce computational demands without sacrificing accuracy. Different simulation scenarios have been studied to highlight the main factors to reduce global energy consumption. For line 1 of MEL, reducing the maximal velocity by 10% leads to a reduction of energy consumption by 6.7% while increasing the travel time by less than 2 minutes. A slight change of headway (time between two cars) can also lead to a reduction of global energy up to 12%. The potential braking energy recovery has been analyzed showing the use case to supply electric cars or electric buses.

5. "Dispositif à ultrasons basse fréquence pour le diagnostic précoce des escarres par impédance mécanique de la peau"
   Elis Marina SALES DE CASTRO, Thèse, Mai 2023, url, résumé

   Dans le cadre de STINTS, le projet de thèse intitulé 'Dispositif d'ultrasons à basse fréquence pour l'évaluation de l'impédance mécanique de la peau'c - effectuer une nouvelle recherche sous la supervision de membres du personnel académique et de conseillers industriels dans le diagnostic et le traitement des ulcères de pression en collaboration avec d'autres ESR du consortium, identifier la réponse mécanique de la peau en fonction de facteurs liés à l'âge et au sexe. - distinguer les peaux saines des peaux saines par la modélisation proposée. - fournir les paramètres à un outil de diagnostic. - contribuer au développement de produits et de procédures de soins afin de minimiser l'apparition d'ulcères de pression - participer aux activités du programme STINTS: assister à des ateliers de formation, collaborer avec des partenaires du réseau et effectuer des détachements périodiques dans des organisations partenaires de STINTS - produire des résultats écrits au besoin pendant les études de doctorat et contribuer aux activités d'engagement et de diffusion de STINTS et présenter des rapports d'avancement réguliers comme l'exige le programme de recherche STINTS

6. "Conception et contrôle tolérant aux pannes d'une nouvelle machine synchrone multiphasée à flux transversal et à aimant permanent"
   Wenjing ZHANG, Thèse, Mai 2023, url, résumé

   La machine synchrone à aimant permanent à flux transverse combine les avantages d'une densité de couple intrinsèquement élevée, de la capacité à ajuster la charge électromagnétique de manière indépendante, d'une conception de structure flexible et d'une structure de bobinage simple, ce qui lui confère un potentiel important pour être utilisée comme servomoteur dans les applications de robots industriels afin de parvenir à la miniaturisation de son entraînement électrique. En outre, la structure d'enroulement multi-phases peut être utilisée dans une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse pour obtenir l'avantage de la capacité de tolérance aux pannes, ce qui améliore encore la fiabilité fonctionnelle de l'entraînement électrique dans les robots industriels. Cependant, les recherches existantes sur les machines synchrones à aimant permanent à flux transverse et les recherches sur la tolérance aux pannes des machines multi-phases présentent encore des lacunes et des limites qui restreignent leur application dans le contexte de la thèse. L'objectif principal de cette thèse de doctorat est de proposer une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse de structure nouvelle pour améliorer les caractéristiques et les performances du robot industriel. Tout d'abord, une machine synchrone à aimants permanents à flux transverse à topologie à un rotor central à aimants sans fer et deux stators externes avec un circuit magnétique statorique hybride comprenant tôle laminées et poudre de fer (DS-HSDR-TFPMSM) est proposée pour réaliser la miniaturisation et la dynamique élevée des entraînements électriques dans les robots industriels. Sa conception structurelle et électromagnétique est réalisée. Une étude de conception tolérante aux pannes basée sur la structure double-triphasée est ensuite réalisée selon deux approches pour le DS-HSDR-TFPMSM Compte tenu de la structure tridimensionnelle complexe du DS-HSDR-TFPMSM, la méthode de calcul du champ magnétique de l'entrefer et les performances sont étudiées sur la base de la méthode de transformation de Schwarz-Christoffel. En outre, la conception de l'optimisation du DS-HSDR-TFPMSM est réalisée sur la base du réseau neuronal BP et de l'algorithme d'optimisation multi-objectifs afin d'améliorer ses performances en termes de couple. Sur la base des conceptions accessibles de tolérance aux pannes de DS-HSDR-TFPMSM, la méthode de commande tolérante aux pannes pour la machine synchrone double-triphasée à aimant permanent est étudiée. Tout d'abord, une reconfiguration du courant de référence dans le repère découplé normal basé sur le principe des pertes cuivre minimales et de la plage de fonctionnement maximale du couple est proposée. Ensuite, la contrainte axiale sur le disque du rotor du DS-HSDR-TFPMSM triphasé double dans différents états est analysée. La force axiale synthétique et la distribution de la contrainte axiale sur le disque du rotor des deux types de DS-HSDR-TFPMSM triphasés doubles sont comparées. Enfin, la méthode de contrôle tolérant aux pannes pour les machines électriques à aimant permanent triphasées fonctionnant à grande vitesse est étudiée, dans laquelle les composantes harmoniques du courant de référence sont suivies et contrôlées à grande vitesse en utilisant une méthode basée sur des repères tournants multiples et une autre méthode basée sur des contrôleurs résonant proportionnels. Enfin, les technologies de fabrication et les études expérimentales sont menées pour le prototype DS-HSDR-TFPMSM

7. "Portable instrument to rapidly assess mechanical properties of the skin - Système portable pour évaluer rapidement les propriétés mécaniques de la peau"
   Yisha CHEN, Thèse, Mars 2023, url, résumé

   Pressure ulcers are localized damage to the skin and/or underlying tissue. It’s expensive to treat pressure ulcers at advanced stages. Moreover, they lower the patient's quality of life, being painful and life-threatening. Early detection is one of the solutions to prevent pressure ulcers. The objective of this thesis is to develop a handheld probe to measure skin biomechanics in vivo and to aid in the early diagnosis of skin at risk. This probe is composed of two piezoelectric bending actuators that stretch the skin surface and control the tip displacement. Simultaneous force and displacement sensing is achieved by integrating two pairs of resistive strain gauge sensors. The basic functions of the probe, simultaneous sensing and displacement control, are experimentally validated. Hysteresis compensation strategies are presented to improve force sensing. The discrimination capability of the probe is first justified with tests on phantom skins. Then, we apply this probe to measure skin properties in vivo. The anatomical-site-related differences are characterized by the probe. The reliability and sensitivity of the parameters derived from the probe are studied in collaboration with the University of Southampton. Preliminary results show that the probe can detect skin damage caused by mechanical insult (tape strapping) with a reduced dynamic modulus. This research can contribute to not only the early detection of skin issues but also provide valuable experimental data that can be used, for example, in the development of computational models.
   
   Les escarres sont des maladies de la peau ou des tissus internes. Il est très couteux de traiter des escarres à des stades avancés. De plus, ce sont des pathologies très douloureuses, qui altèrent fortement la qualité de vie des patients atteints et peuvent même être fatals à un stade étendu. La détection précoce de ces escarres est donc primordiale pour pallier leurs effets. L’objectif de cette thèse est de développer une sonde portable pour mesurer les caractéristiques biomécaniques de la peau à risque « in vivo » et ainsi aider à prévoir l’apparition d’escarres.
   Cette sonde est composée de deux benders piézo-électriques qui vont étendre la surface de la peau de manière contrôlée. La mesure simultanée de la force de réaction de la peau et de son déplacement est réalisée grâce à l’intégration de deux jauges de contrainte résistives. Les fonctions essentielles de la sonde, à savoir le contrôle du déplacement et l’acquisition des mesures mécaniques sont validées expérimentalement. Pour améliorer la mesure de la force, des stratégies de compensation de l’effet d’hystérésis sont présentées.
   Les capacités de distinction de la sonde entre différentes surfaces sont tout d’abord testées sur des peaux artificielles dites « fantômes ». Ensuite, la sonde est appliquée pour mesurer les caractéristiques de peaux saines « in vivo », ceci sur différentes localisations. Il est montré que la sonde est capable de différencier ces localisations. La sensibilité et la fiabilité des paramètres mesurés par la sonde sont analysées en collaboration avec l’Université de Southampton. Des premiers résultats montrent que la sonde est capable de détecter des dommages de la peau dues à des dégradations mécaniques (arrachage d’un ruban adhésif par exemple).
   Cette recherche peut donc contribuer à la détection précoce d’escarres mais également fournir des données sur la mécanique de la peau pour renseigner le développement de modèles.

1. "Conception d'interface tactile innovante pour la simulation d'un bouton sur une surface plane."
   Pierre GARCIA, Thèse, Novembre 2022, url, résumé

   Les interfaces homme-machine actuelles consistent principalement en un écran tactile et ne disposent de manière générale que d'un retour visuel. Cette configuration a l'avantage de la facilité de fabrication et de la polyvalence, si bien qu'on la retrouve dans de nombreux cas d'usage. Cependant, paradoxalement, ces interfaces monopolisent l'attention visuelle des utilisateurs, ce qui pose problème dans certaines applications, comme l'automobile par exemple. Rajouter en plus du retour visuel un retour d'information par le canal tactile pourrait permettre de faciliter leur usage.Des méthodes permettant la stimulation tactile sur un écran, basé sur la modulation du frottement, ont été développées et implémentées par le passé. Par principe, le doigt glisse sur la surface pour donner lieu à une sensation de texture programmable. Mais la production d'un retour haptique doigt statique demeure un défi. Il permettrait de produire des simulations de boutons, et ainsi, d'un clavier virtuel, utilisable sans nécessairement avoir besoin du retour visuel.L'objectif de cette thèse est de proposer et d'implémenter une méthode permettant la production d'un retour haptique doigt statique de type « bouton programmable » sur une surface plane comme un écran OLED, en prenant en compte les contraintes liées à l'industrialisation.Pour cela, nous proposons une nouvelle approche, basée sur la superposition de deux modes de déformation à fréquence ultrasonore, qui permet la génération d'une force latérale sous le doigt. En modulant cette force en fonction de l'appui par l'utilisateur, une sensation de clic est produit. Les aspects conception mécanique, contrôle de la vibration en boucle fermée et évaluation psychophysique sont abordés, pour démontrer la faisabilité de la méthode proposée. Enfin, une méthode originale de conception permet d'appliquer cette approche à un écran tactile du commerce.

1. "Generation and control of tactile feedback with longitudinal ultrasonic vibration and human-in-the-Loop analysis"
   Diana Angelica TORRES GUZMAN, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   La technologie haptique offre aux utilisateurs un moyen unique d'interagir avec les mondes virtuels en permettant le transfert direct d'informations entre les interfaces et l'être humain par le biais du sens du toucher. Les dispositifs haptiques de surface utilisent différentes techniques pour moduler la friction afin de simuler la texture. Dans le cas des surfaces haptiques à ultrasons, on utilise des céramiques piézoélectriques qui, alimentées par une tension alternative sinusoïdale, provoquent un mouvement à la surface du dispositif. Ce mouvement est transmis et amplifié par le matériau, à sa fréquence de résonance.Les modes vibratoires transversaux sont couramment utilisés dans la technologie haptique des surfaces ultrasoniques. Ce travail évalue la possibilité d'utiliser les vibrations longitudinales comme une alternative technologique pour produire un retour haptique dans les dispositifs à ultrasons. Pour cela, des comparaisons sont effectuées sur les deux familles de modes, à partir d’un dispositif dédié à la fois d’un point de vue performances énergétiques et qualité des stimuli perçus. L'action et la perception de l'homme dans ce contexte sont très importantes. Malheureusement, en raison de la complexité des phénomènes de friction, la réponse sensorielle est différente d'un utilisateur à l'autre, avec le même stimulus haptique. Pour cette raison, il est intéressant d'explorer l'humain dans la boucle de simulation tactile. Dans ce but, une première tentative de développer le concept de "Human-in-the-Loop" en haptique de surface est présentée dans cette thèse, en utilisant le formalisme EMR (Energetic Macroscopic Representation) développé au sein de l'équipe de contrôle du L2EP et déjà couramment appliqué au HIL (Hardware in the Loop).

2. "Simulation d’un Véhicule Électrique et son Environnement pour Étudier la Consommation d’Énergie sous Différentes Conditions Climatiques"
   David RAMSEY, Thèse, Novembre 2021, url, résumé

   Dans la littérature scientifique, la consommation d’énergie des véhicules électriques à batterie est généralement estimée en ne considérant que le sous-système de traction. De plus, cette approche ne peut pas prendre en compte tous les impacts des conditions climatiques sur la consommation (et sur l’autonomie). En effet, les conditions ambiantes ont un impact sur les performances des batteries Li-ion, sur la puissance nécessaire pour la traction et sur la consommation d’énergie du sous-système de confort. Le produit combiné de ces effets peut réduire considérablement l’autonomie de ces véhicules. Ce fait constitue une contrainte au développement des véhicules électriques sur le marché automobile, notamment dans des régions aux hivers très rigoureux (exemple du Canada). Dans ce cadre, une collaboration entre l’Université de Lille (France) et l’Université du Québec à Trois-Rivières (Canada) a été établie pour étudier, entre autres, l’impact des conditions climatiques sur la consommation d’énergie des véhicules électriques. L’objectif de cette thèse en cotutelle est de développer un outil de simulation flexible d’un véhicule électrique dans son environnement. L’outil doit permettre d’étudier les performances énergétiques de ces véhicules sur une large plage de conditions climatiques. Pour atteindre cet objectif, une interconnexion des modèles de différents domaines de la physique (électrique, mécanique et thermique) est réalisée, en suivant une approche systémique. Les modèles considérés correspondent aux sous-systèmes de traction, de confort thermique et de stockage (avec le chargeur de batteries). Le formalisme Représentation Énergétique Macroscopique est utilisé pour organiser et interconnecter de façon causale les modèles des différents sous-systèmes, ainsi que de l’environnement du véhicule. Les facteurs ambiants considérés dans l’outil sont la température, l’humidité relative et les conditions du ciel. De plus, la validité de l’outil est vérifiée avec des tests expérimentaux sur une voiture réelle entre -5 °C et 30 °C. La pertinence de l’outil est mise en évidence avec la réalisation de trois études sur la consommation d’énergie d’un véhicule électrique sous différents profils de conduite et conditions ambiantes. La première étude est l’estimation de l’impact énergétique individuel des conditions ambiantes considérées sur chaque sous-système d’un véhicule électrique. La deuxième étude est l’estimation de la variation annuelle de la consommation d’énergie dans un climat canadien. Enfin, la dernière étude est une évaluation des avantages énergétiques du préchauffage en hiver.

3. "Développement d’algorithmes pour le contrôle sans capteur de machines électriques polyphasées en mode normal et dégradé"
   Youssouf MINI, Thèse, Septembre 2021, url, résumé

   L’électrification des systèmes de transport nécessite l’émergence d’entrainements électriques qui répondent à certaines exigences en termes de : rendement et densité de puissance élevés, fiabilité fonctionnelle, robustesse et compacité (facilité d’intégration). Dans ce contexte, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) polyphasées (nombre de phases > 3 ) sont devenues de plus en plus étudiées en raison de leurs densités énergétiques volumique et massique élevées, et leurs tolérances aux défaillances. Pour assurer un contrôle vectoriel performant de ces machines, un capteur de position mécanique est monté sur l’arbre de la machine pour fournir l’information de la position et de la vitesse du rotor. Cependant, dans un contexte de fiabilité fonctionnelle et de robustesse des machines MSAP polyphasées, un défaut sur ce capteur de position ou sur l’une de ses connexions entraine directement une défaillance du système de contrôle. Par ailleurs, dans un contexte de compacité, la nécessité d’un bout d’arbre pour monter ce capteur, qui lui aussi occupe du volume, entraine une augmentation du volume global des entrainements polyphasés. L’objectif de la thèse est de développer des algorithmes spécifiques à la commande sans capteur de machines MSAP polyphasées à force électromotrices non-sinusoïdales dans le but d’augmenter leurs fiabilités fonctionnelles et leurs compacités. Pour cela, des algorithmes basés sur le principe de l’observateur à mode glissant sont développés pour estimer la position et la vitesse du rotor à partir de l’estimation des forces électromotrices des différentes machines fictives équivalentes. Pour résoudre le problème d’observabilité des machines MSAP à zéro et faible vitesse, des algorithmes de commande sans capteur basés sur l’injection d’une tension sinusoïdale à haute fréquence dans la machine fictive qui contribue faiblement à la production du couple sont développés. L’obtention de la position sur toute la plage de vitesse des machines MSAP polyphasées en mode normal et dégradé peut ainsi être obtenue. Les différents algorithmes proposés dans ces travaux de thèse sont validés expérimentalement sur une machine MSAP à 7 phases à forces électromotrices non-sinusoïdales.

1. "Contribution à la Conception de Machines Asynchrones à Cage Multipolarité à Effet Boîte de Vitesse Continue pour Application Automobile"
   Abdelhak MEKAHLIA, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   L’électrification des véhicules automobiles se place au coeur des priorités dans le secteur des transports. Pour une chaine de traction électrique, le défi technologique est d’assurer un équilibre entre : le coût, le volume et l’efficacité énergétique. Par rapport aux machines à aimants permanents, la machine asynchrone à cage est moins coûteuse. Cependant, elle est caractérisée par une densité du couple et une plage de fonctionnement à puissance constante limitées, ce qui oblige à surdimensionner le drive pour les véhicules du milieu de gamme. Ces deux derniers aspects peuvent être améliorés avec l’augmentation du nombre de phases, au-delà de trois, grâce à la possibilité d’utiliser plusieurs harmoniques de courant pour alimenter le stator.Cette thèse s’intéresse particulièrement à l’extension de la plage de fonctionnement à puissance constante sans composants supplémentaires, grâce à la technique de changement électronique du nombre de pôles magnétiques, qui est possible pour les machines à plus de 3 phases. Cette technique permet de réaliser un effet de boite de vitesse électromagnétique continue. Dans ce cadre, un prototype de machine à induction à 13 phases est proposé et comparé à une machine à induction triphasée de référence.

2. "Fault-tolerant control of non-sinusoidal multiphase permanent magnet synchronous machine drives under constraints on current and voltage for automotive applications"
   Duc Tan VU, Thèse, Novembre 2020, url, résumé

   The electrification of transportation has been considered as one of solutions to tackle the shortage of fossil energy sources and air pollution. Electric drives for electrified vehicles, including pure electric and hybrid electric vehicles, need to fulfil some specific requirements from automotive markets such as high efficiency, high volume power and torque densities, low-cost but safe-to-touch, high functional reliability, high torque quality, and flux-weakening control. In this context, multiphase permanent magnet synchronous machine (PMSM) drives have become suitable candidates to meet the above requirements.
   The main objective of this doctoral thesis is to propose and refine fault-tolerant control strategies for non-sinusoidal multiphase PMSM drives that require less constraints on their design. In addition, constraints on current and voltage defined by the inverter and the machine are considered to optimize the machine control under the non-sinusoidal condition without exceeding their allowable limits. Therefore, the system sizing is guaranteed, especially in flux-weakening operations. The proposed fault-tolerant control strategies, based on the mathematical model of multiphase drives, enrich the control field of multiphase drives by providing various control options. The selection of one of the proposed control options can be a trade-off between a high quality torque but a low average value and a high average torque but a relatively high ripple. The control and torque performances of the drives can be refined by using artificial intelligence with a simple type of artificial neural networks named ADALINE (ADAptive LInear NEuron). With self-learning ability, fast convergence, and simplicity, ADALINEs can be applied to industrial multiphase drives. All proposed control strategies in this doctoral thesis are validated with an experimental seven-phase PMSM drive. The non-sinusoidal back electromotive force (back-EMF) of the experimental seven-phase PMSM is complex with the presence of multi-harmonics. Experimental results verify the effectiveness of the proposed strategies, and their applicability in a multiphase machine with a complex non-sinusoidal back-EMF.

3. "Méthodologie d’émulation pour le test de chaîne de puissance de véhicules électrifiés"
   Abdoulaye PAM, Thèse, Octobre 2020, url, résumé

   L’électrification des véhicules est devenue, depuis plusieurs années, une solution incontournable pour faire face aux différents problèmes écologiques dans le transport. Ainsi des véhicules électrifiés (hybrides et électriques) sont de plus en plus mis en circulation. Des procédures de tests de leurs divers composants sont mises en place pour optimiser la conception, production et qualité de ces véhicules. L’émulation (‘‘Hardware-in-the-Loop’’ simulation) de puissance est devenue une étape importante, dans le cycle de développement des véhicules, pour la réalisation de ces différents tests. Pour diminuer les contraintes de délais et de coûts, le développement rapide d’émulateurs fiables et flexibles est nécessaire. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode pour la mise en œuvre d’émulateurs de puissance de chaine de traction de véhicules électrifiés pour le test de leurs ensembles fonctionnels. Le formalisme REM (Représentation Energétique Macroscopique) est utilisé comme outil d’organisation pour la synthèse des divers émulateurs de puissance. La méthodologie développée est utilisée pour tester la batterie et les entrainements électriques d’un véhicule hybride série. D’abord, une représentation unifiée du modèle de simulation énergétique du véhicule hybride série est réalisée. Ensuite, cette méthodologie est appliquée au test de la batterie du véhicule cible. Elle est enfin appliquée pour le test d’entrainements électriques. Des résultats expérimentaux sont fournis tout au long de ce mémoire pour valider ces divers émulateurs.

4. "Méthodologie de commande de vibrations multimodales par modulation-démodulation synchrone : application au retour tactile "multi-touch""
   Anis KACI, Thèse, Septembre 2020, url, résumé

   Inclure un nouveau type de retour d'informations dans les interfaces homme-machine peut-être intéressant pour les utilisateurs. En plus du retour audiovisuel, l'intégration d'un retour tactile sur un clavier virtuel par exemple permet d'augmenter la vitesse de frappe et la précision des utilisateurs. Il existe une méthode permettant de produire des sensations tactiles localisées sur une plaque mince en excitant les modes de la structure. Pour cela, il est nécessaire d'assurer un régime transitoire bien précis pour chacun des modes contrôlés, ceci en dépit des différentes sources de perturbation. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la robustesse de ce type de dispositif à retour tactile grâce au contrôle en boucle fermée. La méthodologie proposée dans cette thèse consiste donc à commander en boucle fermée l'amplitude et la phase d'un mode de vibration en utilisant un contrôle par modulation-démodulation. Nous proposons un modèle dynamique d'un mode de vibration dans la base démodulée et nous établissons une approche systématique pour le calcul des gains du contrôleur en nous basant sur la commande Linéaire Quadratique. Nous développons une méthode basée sur le filtrage modal pour la généralisation du contrôle par modulation-démodulation pour le cas d'un contrôle multimodal. Cette méthode de filtrage consiste à exploiter les propriétés spatiales et fréquentielles des modes pour reconstruire les coordonnées modales des différents modes contrôlés, où chaque mode possède son propre bloc de contrôle par modulation-démodulation. Nous appliquons et validons expérimentalement les techniques proposées sur le cas d'une poutre et puis nous étendons le concept sur le cas d'une plaque mince.

5. "Impact de facteur technique sur la consommation énergétique de véhicules électriques"
   Anatole DESREVEAUX, Thèse, Mars 2020, url, résumé

   Le réchauffement climatique est un défi majeur du 21ème siècle. Les émissions de gaz à effet liés au secteur des transports est un des principaux contributeurs à ce réchauffement. Le Véhicule Electrique (VE) est une des solutions pour réduire la pollution engendrée par le secteur des transports. Mais l’autonomie du véhicule électrique est un des freins à son adoption.Dans le cadre du programme Campus Universitaire à Mobilité Neutre et Innovante et Neutre en carbone (CUMIN), l’Université de Lille cherche à réduire les émissions de gaz à effet de serre liés aux déplacements réalisés au départ, à l’arrivée ou sur son campus de la Cité Scientifique. Le VE est une des solutions envisagées. Pour encourager les conducteurs de véhicules venant sur le campus à passer au VE, l’université cherche à évaluer la consommation du véhicule en vue de proposer des solutions de recharge neutres en carbone.La consommation d’énergie ou l’autonomie des VEs dépend de nombreux facteurs et est sujette à de fortes variations. L’évaluation de ces facteurs est primordiale pour mieux estimer la consommation du véhicule. L’objectif de cette thèse est de réaliser un outil de simulation d’un véhicule électrique en vue d’évaluer l’impact de différents facteurs sur la consommation d’énergie du véhicule. L’outil de simulation proposé prend en compte la consommation d’énergie liée à la traction du véhicule et des auxiliaires, notamment, la partie confort de l’habitacle. L’outil de simulation est organisé à l’aide la Représentation Energétique Macroscopique (REM). Ce formalisme d’organisation conduit à une approche « directe » permettant de bien prendre en compte les limitations du système. Dans cette thèse, les modélisations sont validées à l’aide d’expérimentation avant de réaliser des comparaisons par simulation.

6. "Modular connected machines system for electrified vehicles"
   Kaibo LI, Thèse, Mars 2020, url, résumé

   Le système de Machines Connectées Modulaires (MCM) est un type même système multi-machine, dans lequel plusieurs machines électriques sont intégrées dans un module. Il possède une zone à haute efficacité plus large, une meilleure capacité de tolérance aux pannes et de nombreux modes de fonctionnement. Il a des perspectives possibles dans le domaine des véhicules électrifiés. L'objectif de cette thèse est de développer différents systèmes MCM pour véhicules électrifiés.Pour cela, cette thèse organise tout d'abord le modèle et la commande d'un véhicule à base de MCM via la Représentation Energétique Macroscopique (REM). L'utilisation de la REM met l'accent sur les couplages importants, qui distribuent de l'énergie. Par le biais de règles d'inversion, la REM souligne la nécessité d'introduire des critères de répartition de l'énergie dans la structure de commande. Ensuite, une méthode de calcul rapide de la cartographie de rendement pour différentes machines électriques est proposée. L'élimination de la préconception de machine électrique permet de gagner beaucoup de temps, ce qui jette les bases du dimensionnement de MCM. En suite, une méthode de dimensionnement basée sur plusieurs objectifs est proposée, pour assurer une zone à haute efficacité plus large, une densité de couple plus grande et un volume d'aimant permanent moins important. Les intérêts de différents MCM pour différents véhicules sont comparés et analysés. Enfin, deux stratégies de répartition de la puissance au sein du MCM sont développées sur la base de la stratégie d'efficacité optimale. Elles sont comparées en termes d'efficacité et de condition de fonctionnement. Une configuration Hardware-In-the-Loop (HIL) à échelle réduite est établie et les stratégies sont validées en temps réel.

1. "Energy management strategies of electric and hybrid vehicles supplied by hybrid energy storage systems"
   Bảo-Huy NGUYỄN, Thèse, Septembre 2019, url, résumé

   Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and • hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications. The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis.

1. "Dynamic spatial vibration form generation using modal decomposition : application to haptic surface"
   Ehsan ENFERAD, Thèse, Novembre 2018, url, résumé

   Actuellement, l'interaction haptique est visualisée, il a été démontré que le retour tactile améliore l'expérience et améliore la productivité en allégeant la charge visuelle.La plupart des technologies de retour haptique disponibles aujourd'hui sont basées sur une vision globale du monde. Ce travail aborde ce problème en développant une méthode utilisant des ondes élastiques pour réaliser des déformations de flexion planes hors plan sur une plaque mince. Dans cette étude, la décomposition modale est proposée pour obtenir une déformation contrôlée localement (stimulation haptique). L'approche nécessite seulement la connaissance du comportement modal de la structure. Cette connaissance peut être définie en utilisant sa projection sur les formes de mode. Pour des considérations pratiques, Une méthode pour définir les forces motrices dans l’espace modal. Les tensions réelles à appliquer aux actionneurs sont ensuite déduites. La méthodologie est validée sur plusieurs démonstrateurs de géométries différentes. La possibilité de contrôler l’un des deux modes de fonctionnement à l’aide d’un seul actionneur est validée en focalisant une forme prédéfinie à différents endroits. Pour éviter la limitation de la tension, un prototype à plusieurs actionneurs a été développé avec plus de vitesses. Les résultats confirment la polyvalence de la méthode. La robustesse face à l'identification des incertitudes et de la troncature est évaluée et proposée. Des tests haptiques préliminaires, avec des champs de vitesse contrastés et localisés sont présentés, montrant des résultats tangibles pour la différenciation et la localisation des stimuli par l'utilisateur.

1. "Analysis and control of nonlinear multiple input systems with coupled dynamics by the method of normal forms –Application to nonlinear modal interactions and transient stability assessment of interconnected power systems"
   Tian TIAN, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Novembre 2017, url, résumé

   Systems composed with a sum of interconnected sub-systems offer the advantages of a better flexibility and redundancy for an increased reliability. One of the largest and biggest system based on this concept ever devised by man is the interconnected power system. Phenomena encountered in the newest interconnected power systems are more and more nonlinear and the development of new tools for their study is od major concern. Among the existing tools, this PhD work presents the development and the application of the Normal Form theory to the study of the interactions existing on an interconnected power system. The specific objectives of this PhD work are the development of the Normal Form theory up to the third order, the application of this method to study power system interarea oscillations and the gain of the developed method for the study of stability of power systems

2. "Conception d’entraînements Multi-Machines Multi-Convertisseurs à haut niveau de fiabilité fonctionnelle"
   Tiago José DOS SANTOS MORAES, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Octobre 2017, url, résumé

   Dans les avions et lanceurs, des systèmes entraînés par l’énergie hydraulique, mécanique ou pneumatique sont progressivement remplacés par des systèmes électriques pour des raisons techniques et industrielles. Cependant, ces nouveaux systèmes doivent répondre aux contraintes économiques et de poids concernant ces domaines tout en garantissant une certaine fiabilité. Dans ce contexte industriel, des topologies innovantes multi-machines multi-convertisseurs à haut niveau de fiabilité sont comparées ici à des structures plus standards toujours tolérantes aux défaillances. Ainsi, des topologies avec des machines polyphasées couplées électriquement en série ont été choisies pour ce travail de thèse. La mise en série permet la mutualisation des bras d’onduleurs, réduisant ainsi leur nombre, et augmente la résistance totale du système. La valeur crête du courant est alors réduite lors de l’apparition de certains défauts avec, comme contrepartie, une augmentation inéluctable des pertes Joule globales. Pour que le contrôle de ces machines couplées électriquement en série soit indépendant, il est mis en évidence pourquoi le nombre de phase de ces machines doit être supérieur à 3 et avec de plus une connexion électrique spéciale permutant les phases. Une nouvelle topologie brevetée est tout particulièrement étudiée et testée expérimentalement. Apres validation du concept, des stratégies de contrôle plus complexes et des reconfigurations de la commande après le défaut sont appliquées afin de juger des potentialités d’amélioration du système. Pour les comparaisons, des simulations et des essais expérimentaux ont été réalisés. Les critères choisis pour cette comparaison ont été la puissance de dimensionnement de l’onduleur, servant d’image de son coût et de son poids, les pertes Joule et le couple pulsatoire, tous les trois pour un fonctionnement en mode dégradé.

3. "Commandes par inversion d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs"
   Clément DEPATURE, Thèse Université de Lille, Avril 2017, url, résumé

   Le développement de la commande d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs doit prendre en compte les contraintes liées à l’association de ses composants. La commande par inversion apporte une solution. Elle utilise une approche systémique et cognitive afin d’identifier la cause qui produit l’effet désiré et inverse les modèles des éléments associés pour obtenir une structure de commande. Ainsi, les commandes déduites de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) et du Backstepping font partie de la catégorie des commandes par inversion. Le Backstepping déduit une commande stable de la plupart des systèmes non-linéaires. Cependant, il ne permet pas de gérer de façon claire et efficace les couplages énergétiques. Il est alors possible de décomposer physiquement le système suivant les règles de la REM. La REM permet également de séparer explicitement la commande et la stratégie de gestion de l’énergie. Dans cette thèse en cotutelle franco-québécoise, les caractéristiques des deux commandes ont été soulignées. Les deux méthodes apparaissent alors complémentaires. L’intégration du Backstepping apporte à la REM l’assurance d’une stabilité intrinsèque. Les principes de la REM, quant à eux, permettent au Backstepping de gérer les couplages énergétiques. Le développement d’une commande par inversion stable d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs est donc proposé par la combinaison de ces deux méthodes de commande, suivant une procédure d’inversion combinée. La répartition des puissances du véhicule est ainsi réalisée en temps réel, sur dispositif expérimental, suivant une stratégie de filtrage et la commande stable par inversion combinée développée.

1. "Machine pentaphasée à double polarité pour électrification du domaine de transport par effet de boite de vitesse électromagnétique"
   Hussein ZAHR, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Décembre 2016, url, résumé

   Les machines électriques à aimants, appréciées pour leurs densités énergétiques
   volumique et massique, équipent la majorité des véhicules électrifiés. Par contre, dans la zone à
   puissance constante d’un système de propulsion, les commander à pertes maîtrisées, cela en
   démagnétisant les aimants mais de façon réversible, reste une gageure, particulièrement sous
   environnement thermique changeant. Les solutions simples pour se prémunir d’une
   démagnétisation irréversible sont coûteuses: surdimensionner ou ajouter une terre très rare
   (Dysprosium).
   Cette thèse propose d’ajouter à l’approche de la démagnétisation réversible
   universellement utilisée, celle d’une boite de vitesse électromagnétique. Pour cela on conçoit
   une machine pentaphasée à aimants.
   Passer de trois à cinq phases permet alors d’augmenter les paramètres de réglage de
   l’alimentation électrique et, moyennant approximation, de disposer de deux machines fictives à
   p et 3p paires de pôles, chacune pouvant contribuer de façon équivalente à la production du
   couple. Pratiquement, l’utilisation optimale de ces deux machines permet de reconstituer la
   fonction de boite de vitesse.

2. "Tactile feedback integration on mobile communicating devices: analysis and specification"
   Thomas SEDNAOUI, Université Lille 1, Décembre 2016, url, résumé

   L’usage des écrans tactiles est devenu omniprésent ces dernières années. Ces appareils prennent une place de plus en plus importante dans notre de vie de tous les jours, on les retrouve dans nos maisons, bureaux et même dans nos poches. L’abondance de ces nouvelles interfaces a soulevé l’intérêt pour les technologies permettant une stimulation tactile, et mis en perspective le manque de ce type d’interfaces dans les nouvelles générations d’appareils mobiles avec écrans tactiles. Aujourd’hui, les appareils possédant ce type d’écran se contentent de fournir un retour sensoriel sous la forme de simples vibrations, qui n’ont pas pour objectif de recréer les sensations du toucher de surfaces. La recherche de nouvelles interfaces tactiles, plus performantes, et assurant une restitution plus proche d’une sensation naturelle est donc en cours. Plusieurs solutions technologiques ont prouvé leur efficacité mais posent des problèmes d’industrialisation. Dans cette thèse, une de ces méthodes adaptées aux écrans tactiles, la lubrification ultrasonique, est présentée. Cette méthode de stimulation s’appuie sur la création d’une onde stationnaire ultrasonore au sein d’un résonateur en verre et est capable de faire varier en temps réel la sensation de frottement entre le doigt de l’utilisateur et la surface du résonateur. Grace à des mesures tribologiques, les paramètres influents tels l’amplitude vibratoire, la vitesse d’exploration du doigt, la fréquence de résonance du stimulateur sont mis en évidence. Cette analyse permet la proposition d’une première série de spécifications techniques pour la conception de dispositifs à retour tactile. L’étude est ensuite complétée par l’analyse des problèmes d’alimentation et de contrôle du système, avec en considération les questions d’intégration au sein de dispositifs portables et les problèmes d’industrialisation du processus de fabrication. Enfin, des études psychophysiques sont menées pour affiner du point de vue perceptuel le cahier des charges de conception d’un tel dispositif.

3. "Approche multimodale pour la conception d'interfaces à retour tactile à plusieurs doigts"
   Sofiane GHENNA, Thèse Université Lille1, Novembre 2016, url, résumé

   Les dispositifs à retour tactile sont utilisés pour créer un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Par exemple, il est possible de reproduire sous le doigt l'illusion de surfaces texturées par le contrôle de la friction entre une surface mise en vibration et le doigt de l'utilisateur parcourant la dalle. Pour la plupart de ces dispositifs, le principe de base consiste à utiliser un mode de résonance dont la fréquence et la forme sont imposées par la nature du matériau et la géométrie du dispositif. Le mode est sélectionné pour réaliser une stimulation homogène, et de ce fait elle est indifférenciée sur l'ensemble de la surface. En regard de certaines applications demandant une information plus variée, c'est un facteur limitant.
   On propose dans ce travail de thèse une nouvelle approche, basée sur la superposition de plusieurs modes de vibration. Les modes sont excités simultanément pour réaliser des déformées plus complexes et modulables, afin de générer une simulation à retour tactile multitouch. Cette approche a été validée pour le cas d'une poutre où deux modes de vibration ont été superposés pour générer une simulation tactile différenciée sous deux doigts, grâce au contrôle vectoriel de deux actionneurs piézoélectriques. Un système de suivi a été implémenté pour donner une illusion multitouch en fonction de la position des deux doigts. Cette approche multimodale a été ensuite étendue au cas d'une plaque mince où différentes distributions spatiales du déplacement ont été imposées, ce qui provoque différents coefficients de frottement sur toute la surface de la structure.
   L'approche développée dans ce travail nous a permis également de générer et de contrôler une onde progressive en amplitude et en direction. Pour cette raison, nous avons évalué l'intérêt des ondes progressives dans les interfaces tactiles. Les résultats ont montré la possibilité d'obtenir deux sensations différentes selon la direction contrôlée de l'onde progressive.
   
   Les évaluations psychophysiques des dispositifs proposés montrent clairement l'intérêt d'exploiter plusieurs modes de vibration pour une simulation à retour tactile.

4. "Tactile feedback devices : friction control and texture generation"
   Eric VEZZOLI, Université Lille 1, Septembre 2016, url, résumé

   L’usage des systèmes tactiles est omniprésent dans le monde d'aujourd'hui, où le principal moyen d’interaction est la pression d'un doigt sur l'écran de l'appareil, par exemple un smartphone ou une tablette. La capacité de ces interfaces pour rendre différentes sensations tactiles est assez limitée actuellement, et repose principalement sur la vibration de l'ensemble du dispositif, ce qui limite ses capacités de rendu tactile. Dans le domaine de l’haptique, peu de technologies sont compatibles avec les techniques d'acquisition de position capacitives ; parmi elles, on trouve les techniques de modulation de friction: electrovibration et vibrations ultrasoniques. L’electrovibration augmente la friction entre le doigt et une surface par l'attraction électrostatique créée par la mise sous haute tension de cette surface. Les vibrations ultrasoniques permettent de réduire le frottement en fonction de l'état vibratoire de la surface explorée. Dans cette thèse, une modélisation physique des deux techniques est développée et validée expérimentalement ; les règles de conception pour les systèmes tactiles exploitant ces techniques en sont déduites. De plus, l'indépendance physique et perceptive ainsi que la compatibilité des deux techniques sont prouvées par la mise au point d'un stimulateur couplé. Enfin, le développement d'un nouveau dispositif tactile, appelé E-VITA, élaboré en accord avec les règles de conception déduites, est décrit. Sur ce dispositif, une nouvelle stratégie de contrôle prenant en compte les caractéristiques perceptives du doigt, est intégrée, permettant l’augmentation des capacités de rendu tactile de ces dispositifs à friction modulable.

5. "Design and control of a tactile stimulator for real texture simulation : application to textile fabrics"
   Wael BEN MESSAOUD, Université Lille 1, Juin 2016, url, résumé

   La modulation de frottement par vibrations ultrasoniques est une des méthodes utilisées pour produire une stimulation tactile. L’amplitude de vibration est modulée en fonction de la position du doigt pour donner l’illusion à l’utilisateur de toucher une texture. L’objectif de cette thèse est de développer une interface tactile permettant de simuler la sensation tactile de textures complexes telles que des surfaces textiles. Pour ce faire, nous avons tout d’abord implanté une méthode de contrôle robuste du stimulateur tactile du L2EP grâce au développement d’un modèle du comportement vibratoire. Ce contrôle assure également le suivi de la fréquence de résonance afin d’optimiser l’efficacité énergétique du dispositif. Dans un second temps et après avoir évalué la relation entre les aspects tribologiques de l’interaction doigt/stimulateur et la perception des stimuli, nous avons prouvé par une étude statistique que le « contraste en frottement » est le paramètre le plus significatif et donc celui à programmer pour qualifier la variation de perception du frottement. Cette étude nous a menés à concevoir un nouveau dispositif tactile appelé SmartTac, intégrant des nouveaux capteurs de force permettant de mesurer et contrôler directement le coefficient de frottement pour qu’il soit adaptatif au doigt du sujet. Enfin, après avoir décrit une méthode d’extraction des propriétés tribologiques de trois surfaces textiles très différentes, la simulation de ces textures est entreprise avec le SmartTac. Notre approche est testée par la réalisation d’une expérience psychophysique sur la correspondance entre surfaces simulées et surfaces réelles : un taux de réussite de 78% valide notre démarche.

6. "Gestion d’énergie de véhicules multi-sources électriques et hybrides au travers de la Représentation Energétique Macroscopique"
   Ali CASTAINGS, Université Lille 1, Mai 2016, url, résumé

   Les véhicules routiers sont à une étape majeure de leur histoire. Face aux enjeux actuels d’ordre économiques et environnementaux, le véhicule routier du futur se doit d’être le moins énergivore et avoir une empreinte environnementale la plus réduite possible. Les véhicules multi sources représentent des solutions intéressantes afin de répondre à ces préoccupations. Cependant, ces véhicules utilisent des systèmes de propulsion particulièrement complexes tant au niveau de leur architecture que de leur commande. En particulier, la gestion des différentes sources d’énergie représente un point clé pour l’efficacité énergétique et environnementale des véhicules à concevoir. Elle devient un réel challenge dès que l’on dépasse le nombre usuel de deux sources comme dans le cas des véhicules hybrides actuels et des véhicules électriques mixtes (batterie et supercondensateurs).
   L’objectif des travaux relatifs à cette thèse est de proposer une méthodologie structurée pour la synthèse de la gestion d’énergie en temps réel, de véhicules multi-sources électriques ou hybrides. Cette démarche s’appuie sur une approche systémique utilisant la modélisation et la Représentation Energétique Macroscopique (REM) en tant qu’outil d’aide à la synthèse des modèles et de la commande associée. Une démarche systématique pour la synthèse des stratégies basées sur la commande optimale a été ensuite associée à cet ensemble profitant de la REM comme outil structurant.
   En effet, la REM respectant la causalité « physique » (causalité intégrale) d’une part, et permettant d’effectuer une distinction claire entre la commande dite « locale » et le niveau « stratégie » d’autre part, la formulation du problème de commande optimale est réalisée de manière efficace et structurée. Ainsi, en partant du cas du véhicule électrique avec un système multi-source batterie/supercondensateurs déjà étudiée dans la littérature, la méthode a été appliquée pour la synthèse d’une loi de gestion d’énergie basée sur la commande optimale. Ensuite, des sources ont été rajoutées pour passer au cas de trois sources en incluant une Pile à combustible puis quatre sources en rajoutant un groupe électrogène.
   Les principes développés sont validés par simulation et par l’intermédiaire de tests expérimentaux, afin de s’assurer entre autres, de la faisabilité en temps réel des stratégies développées.

7. "Simulation énergétique flexible d'un carrousel de métros basée sur la Représentation Énergétique Macroscopique"
   Clément MAYET, Université Lille 1, Mars 2016, url, résumé

   La sobriété énergétique des systèmes de transport est primordiale afin de limiter leur impact environnemental. Ainsi, les transports en communs électriques, tels que les métros ou tramways, sont fortement sollicités dans les zones urbaines. Diverses solutions innovantes sont apparues récemment afin d’accroître d’avantage leur efficacité énergétique (sous-systèmes de stockage d’énergie, stations d’alimentation réversibles, etc.). Cependant, au vu de la complexité des études de dimensionnement et d’optimisation, les outils de simulation numérique sont devenus indispensables. Or, ces outils sont particulièrement délicats à développer en raison des non-linéarités (non-réversibilité des sous-stations), des non-stationnarités (mouvement des rames), et des fortes interactions énergétiques qui existent au sein des systèmes ferroviaires. Cette thèse propose un nouvel outil de simulation de carrousel de métros basé sur le formalisme REM (Représentation Énergétique Macroscopique). Ce formalisme a pour volonté de structurer les modèles suivant les propriétés énergétiques du système. Il conduit à une approche de simulation « forward » et à un usage exclusif de la causalité intégrale. De ce fait, le programme de simulation proposé est issu d’une approche innovante et permet d’avoir un nouveau regard sur le système de carrousel de métros. Ces approches accroissent notamment la flexibilité de la simulation, tout en garantissant des résultats physiques. Cette thèse a, de plus, une volonté affichée de valider expérimentalement l’ensemble des modèles développés. Ainsi, au terme de ce mémoire, un programme de simulation énergétique et flexible, permettant l’étude de structures d’alimentation innovantes, est obtenu.

1. "Gestion d’énergie décomposée d’un véhicule hybride intégrant les aspects thermiques via la représentation énergétique macroscopique"
   Ludovic HORREIN, Université Lille1, Septembre 2015, url, résumé

   Le véhicule hybride combine plusieurs sources d’énergie pour se déplacer, réduisant ainsi sa consommation de carburant. La stratégie de gestion d’énergie est l’organe intelligent du véhicule qui permet de décider comment et quand utiliser ces sources. Différentes stratégies de gestions d’énergie sont possibles pour un même véhicule. Plus elle prend de contraintes en considération, plus elle est efficace, mais plus elle est difficile à réaliser en temps réel. Les stratégies de gestion d’énergie optimales permettent de déterminer la meilleure répartition de puissance pour obtenir la consommation minimale. Si cette stratégie peut être déterminée d’un point de vue théorique en simulation, elle ne peut pas être reproduite sur un véhicule réel. En revanche, il est possible de déduire une gestion d’énergie temps réel à partir des stratégies optimales. Néanmoins, cette réalisation est complexe. Si les gestions d’énergie tendent à intègrer de plus en plus de contraintes, il est à noter que la gestion du chauffage habitacle (impactant notablement la consommation d’un véhicule hybride) est cependant considérée de manière indépendante de la gestion de la chaîne de traction. L’objectif de la thèse est de proposer une gestion d’énergie globale d’un véhicule hybride incluant à la fois le système de traction et de chauffage. Pour cela, les échanges thermiques sont modélisés et organisés suivant le formalisme REM (Représentation Energétique Macroscopique) permettant d’unifier tous les modèles. Des validations expérimentales permettent de s’assurer de la précision des modèles. Enfin, une démarche progressive est proposée afin de construire une gestion d’énergie utilisable en temps réel et dont les résultats sont proches de l’optimum malgrès la complexité de cette gestion globale.

1. "Conception et commande d’un système multi-actionneurs piézoélectriques pour l’assistance au forgeage par vibrations"
   Thanh Hung NGUYEN, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Avril 2014, url, résumé

   Il a été montré dans différentes études que l’application de vibrations ultrasonores durant le forgeage permettaient entre autre de réduire les efforts et d’améliorer la qualité du produit. Plus récemment, des effets similaires ont été obtenus à basse fréquence, pour des formes d’ondes plus complexes, mais nécessitant moins de puissance. En raison de leur rigidité, et compte tenu des amplitudes et des fréquences mises en jeu, les actionneurs piézoélectriques sont bien adaptés à la génération des vibrations nécessaires mais leurs efforts restent limités et l’effet de vibrations est exploité uniquement selon la direction verticale. L’objectif de cette étude est de proposer un système multi-actionneurs piézoélectriques afin d’obtenir une plus grande force totale et des vibrations complexes combinant des rotations autour des axes du plan de la matrice et des translation selon son axe vertical. Un système mécanique à trois degrés de liberté est conçu à cet effet en utilisant des guidages élastiques en raison des faibles déplacements des actionneurs qui excluent la présence de jeux. Pour uniformiser les étapes de conception, modélisation et commande du système, une approche systémique énergétique est abordée en utilisant l’outil de Représentation Énergétique Macroscopique (REM). A l’aide de règles d’inversion de la REM, une structure de commande et une stratégie d’alimentation originale du système sont développées et validées expérimentalement.

1. "Design and control of an integrated haptic interface for touch screen applications"
   Yi YANG, Université Lille 1, Novembre 2013, url, résumé

   The lack of haptic feedback is a significant problem of current touch screens. Without haptic feedback, users have to rely almost entirely on visual feedback to operate on a touch screen. As a result, users’ performance is deteriorated and users’ visual workload is increased. Adding tactile feedback to touch screens has shown to be a promising solution to address this problem. However, the force feedback in interactions with virtual objects on touch screens is not provided. This thesis presents the design and evaluation of an integrated haptic device for enhancing interactions on touch screens. The device consists of a cable-driven force feedback device and a squeeze film based tactile device. The cable-driven force feedback device uses four cables to provide force feedback to one finger or dual fingers through controlling the cable tensions. It can provide force feedback when the user clicks a button, grasps an object and interacts with other objects. The tactile device is based on the squeeze film effect to reduce the friction coefficient on the touch surface. We propose an accurate model to analyze the power consumption of the device and use the model to develop a large area (198 mm × 138mm) tactile device with very few piezoelectric actuators and low power consumption. Each of these two component devices can be used individually and the integrated device is able to provide simultaneous force feedback and tactile f on a touch surface. The coupled haptic feedback has been evaluated through simulating a boundary. As compared with using a single type of haptic feedback (e.g. force feedback), the coupled haptic feedback enhances the simulation by making the boundary stiffer and crisper.

2. "Conception de Machines Polyphasées à Aimants et Bobinage Concentré à Pas Fractionnaire avec Large Plage de Vitesse"
   Bassel ASLAN, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Octobre 2013, url, résumé

   L’objectif de la thèse est la conception d’une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d’obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d’effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l’étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d’aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l’exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype.

3. "Modélisation et commande d’un système à trois phases indépendantes à double fonctionnalité : Traction Électrique et Chargeur Forte Puissance pour application automobile"
   Alexandru-Paul SANDULESCU, Thèse Arts&Métiers ParisTech, Septembre 2013, url, résumé

   La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété d’offrir, dans le cadre applicatif de l’automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d’un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d’une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d’autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l’onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d’annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d’accroître les performances de l’ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d’une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique.

4. "Contribution au transport de poudre par actionnement piézoélectrique ultrasonique"
   Razvan CHITIC, Université Lille 1, Juillet 2013, url, résumé

   Les systèmes industriels de transport de poudre sont, en général, des systèmes mécaniques bruyants, énergivores, mais surtout coûteux en maintenance. L’objectif de cette thèse consiste à investiguer des solutions alternatives exploitant des vibrations ultrasonores, moins contraignantes pour la structure et ses jonctions. Dans une première partie, une méthode de transport, baptisée « frottement contrôlé », exploite un actionnement piézo-électrique afin de moduler le coefficient de frottement équivalent entre la poudre et son guide de transport en mouvement. La mise en oeuvre expérimentale de cette méthode démontre son potentiel et vient également corroborer une proposition de modèle analytique simplifié pour ce mode de transport. Dans une seconde partie, des solutions exploitant uniquement des vibrations ultrasonores sont étudiées. Ces solutions se basent sur la génération et le contrôle d’une onde progressive acoustique dans un élément de type poutre ou tube. Des modèles analytiques et éléments finis de ces différentes solutions de transport sont exploitées afin de mieux appréhender les phénomènes physiques influençant le transport, mais aussi afin d’optimiser le dimensionnement de la structure en minimisant le taux d’onde stationnaire. En se basant sur les considérations et préconisations précédentes, des bancs de tests spécifiques à chacune des solutions envisagées sont développés. Les différentes campagnes d’essais réalisées permettent finalement de mener une analyse comparative de la qualité des solutions de transport de poudre par onde ultrasonique.

5. "Structuration de la commande de la simulation au prototype d’un véhicule hybride double parallèle au travers de la Représentation Energétique Macroscopique"
   Tony LETROUVE, Université Lille1, Mars 2013, url, résumé

   Les véhicules électriques hybrides sont, depuis quelques années, en émergence sur le marché automobile. Ces véhicules, alliant plusieurs technologies dont la technologie « thermique » permettent d’assurer une transition progressive vers des véhicules localement propres (véhicules électriques à batterie, véhicules électriques à pile à combustible). La complexité inhérente de ces véhicules rend plus délicate l’élaboration de leurs commandes locales et globales. De la maîtrise d’une seule source d’énergie pour le véhicule thermique, on passe à la maîtrise de plusieurs sources. La répartition optimale entre les différentes sources permettant d’assurer la traction du véhicule est un point de complexité indissociable de ces nouvelles technologies. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de structuration de la commande de ces véhicules complexes. Elle sera réalisée grâce à la REM (Représentation Energétique Macroscopique), formalisme de représentation fonctionnelle qui permettra d’uniformiser les différentes étapes du développement de la commande, de la simulation jusqu’à la validation sur prototype. De plus, des étapes intermédiaires d’émulation (Hardware-In-the-Loop simulation) seront formalisées avec la REM pour les validations partielles de sous-systèmes et de leurs commandes.

1. "Energetic Macroscopic Representation and multi-level energy managment for heavy-duty Hybrid Vehicles using double planetary geartrain"
   Ali SYED, Université Lille1, Juin 2012
2. "Méthode de modélisation et de commande des systèmes de positionnement multi-actionné de type Axe Gantry"
   Ivan Mauricio GARCIAHERREROS, A&M ParisTech, Mai 2012
3. "Conception et Contrôle d’un Périphérique Dédié à la Simulation Couplée Kinesthésique et Tactile"
   Tao ZENG, Université Lille1, Janvier 2012

1. "Méthodologies de Modélisation et de gestion de l’énergie de systèmes de stockage mixtes pour véhicules électriques et hybrides"
   Anne-Laure ALLEGRE, Université Lille1, Septembre 2010, url, résumé

   Résumé : Les véhicules thermiques conventionnels se trouvent dans une situation critique. Les solutions Véhicules Electriques (VE) et Véhicules Electriques Hybrides (VEH) nécessitent de stocker à bord du véhicule de l’énergie électrique. Ce stockage se fait principalement par batteries et pose des problèmes d’autonomie, durée de vie et poids. Un moyen pour répondre à ces problématiques consiste à associer deux Systèmes de Stockages d’Energie (SSE) électriques complémentaires. L’objectif de la thèse vise à proposer une méthodologie d’étude des associations de SSE électriques pour VEs et VEHs de façon en déduire des règles de modélisation, de commande et de dimensionnement. Une architecture et une REM générales de VEs mixtes sont établies. La REM générale permet de mieux analyser le système et de simuler l’ensemble des architectures avec un même programme. L’architecture générale permet de tester différentes architectures sur un même banc expérimental. Cette REM est étendue à des véhicules à 3 SSE. La méthodologie de modélisation est appliquée, en particulier, à deux VEs mixtes, puis étendue à un VEH mixte et un VE mixte utilisant trois SSE électriques. Les SSE électriques utilisés sont constitués de batteries et de supercondensateurs. Les structures de commande de chaque véhicule présenté sont élaborées, validées par simulation et par expérimentation en utilisant la simulation Hardware-in-the-Loop (HIL) ou sur véhicule réel. Différentes stratégies de gestion de l’énergie ont été développées pour la voiture électrique mixte. Une étude montre l’influence de ces stratégies notamment sur la consommation de l’énergie électrique de la batterie, sa durée de vie et son dimensionnement.
   
   
   Résumé (anglais) : Conventional vehicles are in a critical situation. The solutions Electric Vehicles (EV) and Hybrid Electric vehicle (HEV) need on-board electric energy storage. Generally, batteries are used, and lead some problems as: autonomy, lifetime, weight…The association of two complementary electric Energy Storage Systems (ESSs) could be a good device to ameliorate the on-board storage. The objective of the thesis aims to propose a methodology of study of electric EESs associations for EVs and HEVs in order to deduce model, control and sizing rules. General topology and Energetic Macroscopic Representation (EMR) of mixed EVs are established. The general EMR allows a better analyse of the system and allows simulating all topologies with one program. The general topology allows testing different topologies on a same experimental bench. The EMR is extended to mixed vehicles using three EESs. The modelling methodology is in particular applied to two mixed EVs, and extended to a mixed HEV and a mixed VE using three electric ESSs. The used electric ESSs are constituted of batteries and supercapacitors. The control structures of each vehicle are built, validated in simulation and in experimentation using a reduced scale Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation or on a real vehicle. Different energy management strategies have been developed for the mixed electric car using batteries / supercapacitors. A study shows the influence of these strategies, in particular on the electric consumption of the batteries, their lifetime and their sizing. Some strategies have been validated experimentally on the real mixed electric microbus.

2. "Caractérisation et commande des entraînements polyphasés en mode degrade d’alimentation"
   Yvan CREVITS, Université Lille1, Juillet 2010
3. "Systèmes de suspension semi-active à base de fluide magnétorhéologique pour l’automobile"
   Hussein SLEIMAN, A&M ParisTech, Juin 2010
4. "Common energetic macroscopic representation and unified control structure for different hybrid electric vehicles"
   Keyu CHEN, , Mai 2010

1. "Modélisation et multiphysique des elements de stockage et de conversion d’énergie pour les véhicules électriques hybrids. Approche systémique pour la gestion d’énergie"
   Loïc BOULON, Université Lille1, Juillet 2009
2. "Modélisation et commande d’un alterno-démarreur heptaphase pour application automobile micro-hybride"
   Antoine BRUYERE, Université lille1, Mai 2009
3. "Actionneurs Piézo-électriques dans des interfaces homme-machine à retour d’effort"
   Zheng DAI, de l’Université des Sciences et technologies de Lille, Mars 2009
4. "Actionneut piézo-électrique commandable en frottement variable pour application haptique"
   Gaston M’BOUNGUI, de l’univerité des sciences et technologies de Lille, Janvier 2009

1. "ANALYSE DE SYSTÈMES MULTI-ACTIONNEURS PARALLÈLES PAR UNE APPROCHE GRAPHIQUE CAUSALE - APPLICATION A UN PROCESSUS ÉLECTROMÉCANIQUE DE POSITIONNEMENT RAPIDE "
   Julien GOMAND, Arts et Métiers ParisTech (ENSAM), Décembre 2008, url, résumé

   ANALYSE DE SYSTEMES MULTI-ACTIONNEURS PARALLELES PAR UNE APPROCHE GRAPHIQUE CAUSALE - APPLICATION A UN PROCESSUS ELECTROMECANIQUE DE POSITIONNEMENT RAPIDE __________________
   Résumé : L’augmentation des cadences de production nécessite la recherche de performances dynamiques toujours plus élevées pour les dispositifs de positionnement, conduisant à l’utilisation d’axes multi-actionneurs parallèles. Une configuration bi-actionnée en gantry est une solution mécanique qui permet de conférer une accélération élevée à l’axe, mais pose la problématique de la synchronisation des actionneurs mis en collaboration. Un état de l’art de la commande de tels dispositifs électromécaniques met en évidence un manque général de prise en compte du couplage mécanique entre les deux actionneurs, conduisant à des architectures de commande complexes sur le plan structurel et du réglage. L’approche proposée dans cette étude constitue une alternative à ces commandes en mettant en œuvre une approche graphique structurée selon les lois de la causalité physique. Dans un premier temps, l’axe en gantry sert de support à l’étude de propriétés graphiques du formalisme Graphe Informationnel Causal (GIC) développé au L2EP. L’ordonnancement des représentations selon la causalité intégrale conduit à une simplification globale de l’analyse structurelle des systèmes physiques, facilitant le choix des variables d’état indépendantes à contrôler. La modélisation dynamique proposée pour l’axe considéré, associée à des méthodes d’identification expérimentale, est exploitée pour la déduction d’architectures de commande et de méthodes de réglage permettant d’améliorer les performances de synchronisation dynamique des deux actionneurs par une meilleure gestion du couplage. Les problématiques de la modélisation et de la compensation des ondulations de force générées par les moteurs linéaires synchrones à aimants permanents, ainsi que de la gestion énergétique de l’ensemble de l’axe sont également abordées. ____________
   Mots-clés : Graphe Informationnel Causal (GIC), Modélisation Dynamique, Commande par Inversion, Axe de Positionnement en Gantry, Moteur Linéaire Synchrone, Mécatronique. ______________________________
   ______________________________________________________________________________________
   ANALYSIS OF PARALLEL MULTI-ACTUATED SYSTEMS USING CAUSAL ORDERING METHODS - APPLICATION TO MOTION CONTROL OF A DUAL-DRIVE HIGH-SPEED POSITIONING GANTRY STAGE
   Abstract: High-dynamic positioning systems are required to increase production rates. A dual-drive gantry configuration is a mechanical solution which offers higher acceleration levels. However, the two parallel collaborative linear actuators have to be perfectly synchronized. Present control solutions for such an electromechanical device shows complex control structures, without real consideration of the mechanical coupling, which leads to compensator tuning difficulties. The proposed approach is model based, using physical causality ordering laws. First of all, the gantry axis is used as an example to study the graphical properties of the Causal Ordering Graph (COG) formalism, developed by the L2EP laboratory. It simplifies the structural analysis of physical systems, and facilitates the identification of independent state variables to be controlled. A dynamic model of the considered gantry axis is then established, and experimental identification methods are developed. Inversion-based decoupling motion control allows simple tuning methods and leads to improved synchronizing performances. The compensation of force ripples generated by permanent magnet linear synchronous motors and the global system energetic control are also studied. ____________
   Keywords: Causal Ordering Graph (COG), Dynamic Modelling, Inversion-based Decoupling Motion Control, Dual-drive Gantry Stage Positioning System, Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM), Mechatronics.
   

1. "Commande Optimisée d’un Actionneur Linéaire Synchrone pour un Axe de Positionnement Rapide"
   Ghislain REMY, Thèse de Génie Electrique, ENSAM, Décembre 2007, résumé

   Les moteurs linéaires sont devenus des composants incontournables dans le domaine de la conception des machines de production. L’actionneur synchrone à aimants permanents (PMLSM) constitue le principal composant et permet aujourd’hui d’obtenir des performances nettement supérieures à celles de son homologue rotatif accouplé à un système de transformation de mouvement. Cependant, pour utiliser ces constituants de façon optimale, il est nécessaire de prendre en compte dans la commande les spécificités de ce type d’actionneur. En effet, des phénomènes électriques et magnétiques, tels que les forces électromotrices non-sinusoïdales, la saturation des inductances et les forces de détente, génèrent des forces ondulantes perturbatrices pour la partie mécanique. L’objectif de cette étude est donc, dans un premier temps, d’améliorer la modélisation de ces moteurs linéaires en vue de leur commande. Des méthodes analytiques et éléments-finis sont utilisées pour quantifier l’importance de ces phénomènes sur la force de poussée. Puis, dans une deuxième partie, nous définissons les structures de commande optimales permettant de prendre en compte les phénomènes retenus. Le formalisme du Graphe Informationnel Causal (GIC), développé par le laboratoire L2EP, est utilisé pour représenter et définir de façon systématique les structures de commande retenues. Les méthodologies d’inversion du GIC sont détaillées pour permettre la définition des structures de commande en Boucles Fermées et Non-Fermées. Les structures classiques de commande industrielles sont analysées et de nouvelles structures de commande sont proposées pour la commande en force d’un moteur linéaire LMD10-050 de la société ETEL

2. "Conception et Contôle d’Actionneurs Electro-actifs Dédiés à la Stimulation Tactile"
   Mélisande BIET, Thèse de Doctorat, Décembre 2007, url, résumé

   The aim of this PhD thesis is to suggest a tactile device capable of increasing our immersion in a virtual environment by stimulating the fingertip. This device belongs to the framework of haptic devices. From a study on the dynamic touch for textures perception, we propose an innovative tactile device which allows simulating various finely textured surfaces. In this PhD, fundamentally multidisciplinary, we first establish the specifications in order to get a practical tactile device based on the generation of a slippery feeling. After having identified the phenomena responsible of this slippery feeling by height frequency vibrations, we realize the design of a tactile plate able to vary this effect, namely the friction coefficient perceived by users. This plate vibrates thanks to piezo-ceramics glued onto one of the two surfaces. This design has been checked by simulation with finite elements software and then the retained configuration has been made. Thereafter the control of the vibrating plate allows us to modulate the friction coefficient in order to obtain various patterns. In a last section, our tactile device has been evaluated according to psychophysical experiment. Several gratings have been simulated to know the abilities of the subject to discriminate spatial period on the tactile plate. The efficiency of the device has been compared with the one of the real textures.

3. "Gestion d’énergie de véhicules électriques hybrides basée sur la représentation énergetique macroscopique"
   Walter LHOMME, , Novembre 2007, url, résumé

   Résumé – La résolution du problème de pollution est l’un des défis du XXIème siècle. Ces dernières années ont vu un développement important de Véhicules Électriques Hybrides (VEHs) qui allient les avantages
   des propulsions thermique (autonomie) et électrique (faible pollution). Le système embarqué est de
   plus en plus complexe car il multiplie les éléments de conversion énergétique ainsi que les couplages.
   L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie d’étude de VEHs pour en déduire des règles
   de commande (gestion locale de l’énergie) et de stratégie (gestion globale de l’énergie). Nous avons
   utilisé la Représentation Énergétique Macroscopique (REM), qui décrit de manière synthétique des
   systèmes complexes et leur commande, basée sur le principe d’action et de réaction des éléments
   connectés. Trois types de véhicules ont ainsi été étudiés, les architectures hybrides série, parallèle et
   mixte. La REM permet de mettre en avant les noeuds énergétiques des VEHs étudiés. En se basant sur
   l’exploitation des contraintes et propriétés énergétiques des sous systèmes associés, l’inversion de ces
   couplages fait apparaître, au sein de la structure de commande locale, les divers degrés de liberté qui
   mènent à l’articulation de la gestion globale de l’énergie des architectures étudiées. De part la complexité
   et la multidisciplinarité des véhicules hybrides, ce travail a également participé à l’extension
   des travaux de formalisme pour la commande et la gestion d’énergie des systèmes à énergies réparties.
   De nombreux travaux sont en cours et restent à faire pour développer ce type de véhicule.

4. "Synthèse et réglage de lois de commande adaptées aux axes souples en translation - Application aux robots cartésiens 3 axes"
   Frédéric COLAS, Automatique et Informatique Industrielle, Novembre 2007
5. "Représentation Énergétique Macroscopique du métro VAL 206 et structures de commande déduites par inversion"
   Jean-Noël VERHILLE, spécialité Automatique, ENSAM,, Novembre 2007, résumé

   Le VAL 206 comportant plusieurs machines et/ou plusieurs convertisseurs appartient de
   fait à la famille des Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs (SMM). Ces systèmes se
   caractérisent par la mise en commun de plusieurs ressources physiques entre les éléments
   de conversion d’énergie. Il en résulte des couplages (électrique, mécanique ou magnétique)
   dont la gestion présente des problèmes du point de vue de la commande. La modélisation
   du VAL 206 présenté dans ce mémoire est réalisée au travers de la Représentation
   Energétique Macroscopique (REM) basée sur les échanges énergétiques entre les différents
   éléments. Cette modélisation a permis d’obtenir un modèle de simulation du système de
   traction global, une comparaison avec des résultats sur système réel ont validé ce modèle.
   La démarche systématique d’inversion de la REM a permis d’obtenir une Structure
   Maximale de Commande (SMC) mettant en évidence les grandeurs électriques mécaniques
   ainsi que les couplages du processus. Diverses simplifications en sont déduites et il a été
   démontré que la commande actuelle du VAL 206, correspond à une résolution particulière
   des couplages du type maître-esclave. Parmi les commandes simplifiées, deux structures
   pratiques de commande ont été plus particulièrement étudiées. Elles offrent des
   performances dynamiques intéressantes en présence d’une perte d’adhérence du véhicule.
   L’inversion de la loi de contact roue-sol pose cependant un problème lié à la non-linéarité
   et la non-stationnarité de ce phénomène. Une commande à modèle de comportement a été
   utilisée pour palier à ce problème. Ce type de commande a tout d’abord été étendu aux
   systèmes multimachines. Son utilisation autorise le maintien des performances dynamiques
   du véhicule en présence d’un phénomène de patinage. Les diverses lois de commande
   proposées ont été testées sur un banc d’essai expérimental à puissance réduite, ce qui
   prouve leur faisabilité.

1. "Prise en compte des phénomènes vibratoires dans la génération de commande des machines-outils à dynamique élevée"
   Richard BEAREE, Thèse Automatique, ENSAM, Décembre 2005, url, résumé

   The increasing demands in terms of productivity lead the high-dynamics systems to the maximum of their technological and structural capacities, invalidating the classical assumption of a rigid body dynamics. Consequently, the system control cannot neglect the influence of the vibratory phenomena on the accuracy of the contour tracking, but it has to modulate the command efforts in order to realize the adequacy between the intrinsic system characteristics and the speed and accuracy criteria. This study aims at improving the dynamic behavior of these machines by a direct action on the command generation. The command generation is divided into two main functions: (1) the elaboration of a movement law for the system states to control, which is used as reference for controls (indirect control); (2) the definition of a prefilter transforming the movement law into a reference signal for the input of the physical system (direct control). If correctly managed, these two functions make it possible to dissociate the regulation and the contour tracking problems. Initially, they are specifically study in the case of one axis movement. Thus, the influence of various movement laws (harmonic, polynomial, piecewise polynomial or multi-switch bang-bang law) on the vibrations and on the movement time is formalized. A design methodology for the prefilter adapted to the flexibilities of an axis is presented; it puts forward the required degree of continuity, which the law of movement must satisfy. Then, after experimental validations on several high-dynamics test-setups, the results and methodologies are adapted to the contour-tracking problem for two Cartesian axes. A part of the study is devoted to the pragmatic comprehension of the control structure, which is classically used in industry.

1. "Modélisation vectorielle multimachines pour la commande des ensembles convertisseurs machines polyphasés"
   Xavier KESTELYN, , Décembre 2003, url

1. "Modélisation causale et commande d’un actionneur piézo-électrique à onde progressive"
   Frédéric GIRAUD, Université de Lille 1, UFR IEEA, Juillet 2002, url, résumé

   Les moteurs piézo-électriques à onde progressive, grâce à leur caractéristique fort couple –
   basse vitesse et leur faible encombrement, proposent une alternative intéressante aux machines
   électromagnétiques dans les systèmes automatisés. Cependant, leur structure vibrante et les
   caractéristiques tribologiques complexes à l’interface stator-rotor les rendent difficiles à
   commander.
   C’est afin de déterminer les lois de commande adaptées que nous avons d’abord modélisé
   de manière causale le moteur. Nous avons discuté de la pertinence de ce modèle, soit par
   comparaison avec un modèle plus complexe et plus précis, soit expérimentalement par des relevés
   sur un moteur commercialisé.
   Cette modélisation a conduit d’une part à l’élaboration d’un protocole d’identification des
   paramètres du moteurs insensible aux non linéarités inhérentes aux matériaux piézo-électriques.
   D’autre part, le Graphe Informationnel Causal, utilisé pour la représentation du modèle, a
   permis, par son inversion, l’établissement des lois de commande. Nous avons alors été capables
   d’établir plusieurs stratégies d’autopilotage originales; nous n’en avons retenu qu’une, qui a été
   mise en oeuvre sur un banc expérimental. Cette commande a été testée sur un dispositif à retour
   d’effort, application à très basse vitesse pour laquelle un contrôle précis du couple est nécessaire.

1. "OUTILS ET MÉTHODOLOGIE D’ÉTUDE DES SYSTÈMES ÉLECTRIQUES POLYPHASÉS. GÉNÉRALISATION DE LA MÉTHODE DES VECTEURS D’ESPACE"
   Eric SEMAIL, these, Juin 2000, url, résumé

   La démarche générale du mémoire consiste à utiliser des outils mathématiques permettant d’élaborer un formalisme vectoriel applicable aux systèmes électriques au sens large. Ce formalisme bénéficie à la fois des propriétés graphiques et géométriques de la théorie des vecteurs d’espace qu’il généralise et de la puissance du calcul matriciel. Aussi, est-il tout particulièrement adapté à l’étude des systèmes polyphasés. Tout d’abord, on caractérise les modulateurs d’énergie indépendamment de leurs charges. Pour cela des espaces vectoriels leur sont associés ainsi que des familles de vecteurs qui les caractérisent. Il est possible alors de définir quel type de charge le modulateur est capable de contrôler. Les degrés de liberté de la commande trouvent également une formulation mathématique. Les exemples traités sont les onduleurs de tension monophasé et triphasé deux niveaux. L’approche conduit, dans le cas d’une commande aux valeurs moyennes, à un calcul original des durées de conduction des interrupteurs en utilisant la notion de barycentre. Les algorithmes obtenus, généralisables aux onduleurs à n bras, comportent un nombre réduit d’opérations logiques et arithmétiques.
   Le formalisme est ensuite appliqué à la machine asynchrone triphasée avec q barres au rotor ; ceci nous permet d’expliciter
   la notion de rotor diphasé équivalent. La machine asynchrone pentaphasée est également modélisée et l’approche développée met en évidence les conditions que doit remplir l’onduleur à 5 bras pour l’alimenter correctement. Dans la dernière partie, un onduleur de courant à Modulation de Largeur d’Impulsions est étudié à l’aide du formalisme. Les non-linéarités de la commande sont prises en compte vectoriellement, notamment, de façon originale, celle concernant la durée minimale de conduction des interrupteurs. On décrit enfin l’implantation matérielle de cette commande sur microcontrôleur 16 bits et présente les résultats expérimentaux dans le cas d’une charge constituée d’une machine asynchrone triphasée en parallèle avec des condensateurs.


Equipe Electronique de Puissance
2023

1. "Hybridation de batteries puissance-énergie avec convertisseur de couplage à dimensionnement réduit : Application aux véhicules électriques urbains"
   Caio Augusto FONSECA DE FREITAS, Thèse, Juin 2023, url, résumé

   Le véhicule électrique (VE) est un mode de transport en plein essor du fait des contraintes environnementales. Son développement est étroitement lié à l’évolution des technologies de batteries : on leur demande d’être plus efficientes, moins coûteuses et également moins dépendantes de matériaux critiques tels que le lithium et le cobalt. Dans les VE actuels, l’autonomie est un point critique et les constructeurs ont tendance à privilégier des autonomies largement supérieures aux besoins réels de déplacement. Ce choix favorise l’utilisation de batteries de type énergie (EB) possédant une forte densité d’énergie (ED), mais une densité de puissance (PD) limitée. Ce type de batterie est parfaitement adapté aux grandes autonomies, la faible PD étant compensée par une masse importante de batterie embarquée. Ainsi, ces VE sont capables de supporter des dynamiques de puissance élevées : fortes accélérations, freinage électrique efficace. Si on veut démocratiser l’utilisation du VE, tout en limitant l’impact sur l’environnement, d’autres solutions doivent être envisagées. Une des clés principales est le développement de VE plus légers avec une autonomie raisonnable. Mais si l’EB est plus petite, sa PD limite alors la dynamique du véhicule et surtout son freinage récupératif. Les systèmes hybrides de stockage d’énergie (HESS – Hybrid Energy Storage System) peuvent résoudre ce problème. Ils combinent deux sources de stockage : une première à forte ED, associée à une seconde à forte PD. De plus, ces HESS permettent de pouvoir mixer et donc diversifier les technologies de stockeurs d’énergie. Leur principal défaut est de nécessiter la présence de convertisseurs d’électronique de puissance afin de répartir la puissance du véhicule entre les deux sources du HESS. Cette masse supplémentaire dégrade les performances du HESS en densité d’énergie et de puissance. Il est donc nécessaire de réduire autant que possible la masse de ce convertisseur supplémentaire. L’objet de cette thèse est l’étude du dimensionnement du couple EB-PB associé à un convertisseur DC-DC à puissance de dimensionnement réduite comparativement aux solutions traditionnelles. Afin d’étudier le système HESS complet, une méthode de dimensionnement du couple de batteries EB-PB est proposée. Ensuite, en vue de réduire la masse du convertisseur de couplage, deux architectures originales de HESS sont proposées : une architecture série et une architecture cascade à source de courant contrôlée. Elles ont pour objectif la réduction de la puissance transitée dans le convertisseur de couplage. Ces architectures nécessitent l’utilisation d’un convertisseur similaire, à savoir un DC/DC isolé, dont les contraintes électriques dépendent de l’architecture choisie. Afin d’évaluer la puissance de dimensionnement du convertisseur, une stratégie de gestion d’énergie adaptée à chaque architecture est proposée et utilisée. Ces stratégies permettent de dimensionner en puissance le convertisseur de couplage selon le couple de batteries choisies en simulant le cycle de conduite. Les simulations valident le dimensionnement du HESS complet : EB, PB et DC-DC isolé. Elles montrent ainsi que la puissance de dimensionnement peut être réduite de plus de 90% par rapport à une architecture de couplage classique. Les deux architectures de couplages sont ensuite validées en laboratoire sur un banc expérimental.

2022

1. "Fabrication et caractérisation de transistors HEMT et de diodes à base de GaN pour la conversion de tension DC-DC en électronique de puissance"
   Quentin FORNASIERO, Thèse, Décembre 2022, url, résumé

   Résumé
   Ce travail de thèse s’inscrit dans une problématique constante d’intégrabilité des systèmes électroniques à fortes densités de puissance et à haut rendement pour l’électronique de puissance dans les secteurs civil, industriel et militaire: transports individuels et urbains, aéronautique et spatiale, high-tech. En cela, le Nitrure de Gallium (GaN) est un matériau couvrant une large étendue d’applications. C’est un candidat idéal pour le remplacement de la filière Silicium dont les limites sont aujourd’hui atteintes. Sa robustesse en milieu hostile - face à des températures extrêmes de plus de 200 °C, ou sous fort niveau de radiation - et ses propriétés de conduction électrique et thermique exceptionnelles en font un matériau de premier choix pour une nouvelle génération de composants pour l’électronique de puissance. Aujourd’hui, le principal verrou technologique s’opposant à son essor sur le marché est induit par des mécanismes complexes de piégeages des porteurs de charges électriques, limitant les performances en commutation à haute tension. Ainsi, les objectifs de cette thèse consistent en la réalisation conjointe de diodes et de transistors HEMT de puissance sur hétérojonction AlGaN/GaN, plus spécifiquement adaptés aux systèmes de conversion de tensions DC-DC. Le développement d’un procédé de fabrication de technologies normally-off est au cœur de ce travail, notamment les procédés de traitement de surface AlGaN par plasma SF6 et de dépôt d’oxyde pour la réalisation de grille MOS. Enfin, la caractérisation électrique et physique des composants et des hétérostructures à base de GaN apport des informations essentielles à la compréhension des mécanismes de transport des charges électriques en vue de l’optimisation des procédés de développement technologique dédiés à l’électronique de puissance.
   Abstract
   This thesis work fits into a constant need of integrability of high power and high efficiency systems dedicated to power electronic, in civil, industrial and military fields: individual and urban transports, aeronautics and space, high-tech… In this frame, Gallium Nitride-based (GaN) material covers a wide application range, and is set as an ideal candidate in order to replace the silicon industry, which reached its theorical limits. This material ruggedness in hostile environments – high temperature over 200°C, or high level radiative environment – and its great electrical and thermal conductivity set GaN in a leading place for the emerging of novel power electronic devices. Nowadays, the main technological lock regarding GaN systems industrial expansion is induced by hard charge-trapping mechanisms limiting switching performance at high voltage. Thus, the objectives of this thesis work consist in the simultaneous fabrication of GaN-based diodes and HEMT transistors on AlGaN/GaN heterojunction, specifically dedicated to DC-DC voltage conversion for supply systems. The main topic of this work is to elaborate the development process steps of normally-off devices, especially the SF6 plasma for AlGaN surface treatment and oxide deposition for MOS-gated HEMT process. Then, electrical and physical characterization of GaN-based devices and heterostructures bring an enhanced feedback for comprehensive carrier transport mechanisms, and thus, technological optimization for power electronic devices.

2. "Modélisation des effets capacitifs des bobines simple couche et choix du matériau magnétique du noyau pour le dimensionnement des filtres CEM"
   Florentin SALOMEZ, Thèse, Novembre 2022, url, résumé

   Le sujet de thèse porte sur l’étude des composants magnétiques utilisés dans les filtres de perturbations
   électromagnétiques des convertisseurs d’électronique de puissance. Il est bien connu que les convertisseurs
   statiques sont des sources de perturbations conduites qu’il faut réduire afin de respecter les normes
   de compatibilité électromagnétique (CEM). Une des solutions couramment utilisée pour réduire ces
   perturbations est l’installation de filtres CEM entre le convertisseur et le réseau électrique. La première
   partie du manuscrit est dédiée à la présentation du contexte de la thèse, avec la problématique de la CEM
   et les solutions de filtrage. Dans la seconde partie, nous présentons la modélisation de l’impédance de la
   bobine de mode commun du filtre CEM, avec la prise en compte des comportements à haute fréquence,
   pour son dimensionnement. Ainsi, un modèle des propriétés magnétiques basé sur l’équation de Debye
   est proposé, auquel est ajouté pour les ferrites, de type Mn-Zn, un modèle de capacité matériau d’ordre
   fractionnaire. Dans la troisième partie, la capacité parallèle équivalente (CPE) est calculée à partir des
   capacités élémentaires, tore-spire et inter-spires, déterminées par la méthode des éléments finis en deux
   dimensions, en tenant compte de la courbure des spires. Dans la dernière partie, le modèle de l’impédance
   de la bobine de mode commun est utilisé pour le dimensionnement d’un filtre de mode commun. Les
   résultats obtenus montrent que la conception à l’aide des modèles proposés permet l’optimisation du volume
   de la bobine. Finalement, l’application de cette méthode a permis de définir un indicateur permettant le
   choix du matériau magnétique qui minimise le volume de la bobine.
   
   Mots clés : électronique de puissance, compatibilité électromagnétique, filtre CEM, bobine de mode
   commun, capacités parasites, optimisation du volume
   This thesis is about the study of the magnetic components used in the electromagnetic interference filters of
   power electronics converters. It is well known that static converters are sources of conducted disturbances
   that must be reduced in order to comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. One of
   the solutions commonly used to reduce these disturbances is the installation of EMI filters between the
   converter and the power network. The first part of the manuscript is dedicated to the presentation of the
   context of the thesis, with the EMI problematic and the filtering solutions. In the second part, we present
   the modelling of the impedance of the common mode choke of the EMC filter, taking into account the high
   frequency behaviour, for its sizing. Thus, a model of the magnetic properties based on the Debye equation
   is proposed, to which a fractional order capacitance is added to model the material capacitance of Mn-Zn
   ferrites. In the third part, the equivalent parallel capacitance (EPC) is calculated from the elementary
   turn-core and inter-turns capacitances, determined by the two-dimensional Finite Element Method (FEM),
   taking into account the turn curvature. In the last part, the common mode choke impedance model is used
   to design a common mode filter. The results obtained show that the design using the proposed models
   allows the optimisation of the choke volume. Finally, the application of this method has made it possible to
   define indicators for the choice of magnetic material that minimises the choke volume.
   
   Keywords: power electronics, electromagnetic compatibility, EMC filter, common mode choke, parasitic capacitances, volume optimization

2021

1. "Méthodes de modélisation CEM de l’électronique de puissance appliquées au domaine automobile"
   Stéphane VIENOT, Thèse, Mai 2021, url, résumé

   La réduction des émissions polluantes est un élément clé pour le futur du transport automobile. Pour cela, des systèmes électriques peuvent être utilisés en complément du moteur à combustion interne afin de rendre les véhicules hybrides. La solution étudiée est le système alternateur, qui peut devenir réversible grâce à de nouvelles structures d’électronique de puissance. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur la compatibilité électromagnétique permettant de garantir l’intégration de ces systèmes dans l’environnement électrique complexe du véhicule.
   L’objectif des travaux est de développer des outils de modélisation prédictifs permettant de déterminer les niveaux de perturbations électromagnétiques générés par les systèmes d’électronique de puissance. Ces modèles permettent de décrire les sources de perturbations et les mécanismes de couplages à l’origine des émissions conduites. Cela permet d’étudier puis de proposer des solutions afin de respecter les contraintes normatives de compatibilité électromagnétique.
   Les travaux réalisés portent sur le développement d’outils et de méthodes pour la modélisation des couplages parasites, la caractérisation des composants actifs et passifs ainsi que la prise en compte de la chaine d’acquisition. Les modèles obtenus sont ensuite appliqués à la simulation des émissions conduites d’un alternateur automobile. Afin de réduire les durées de simulation, nous avons travaillé sur des simulations dans le domaine fréquentiel avec la méthode MTES (Multi-Topology Equivalent Sources) développée au L2EP. L’objectif est d’améliorer la représentativité des sources de perturbations et des impédances des convertisseurs statiques de types hacheurs et onduleurs.

2019

1. "Caractérisation et Modélisation de Composants GaN pour la Conception des convertisseurs statiques haute fréquence"
   Loris PACE, Thèse, Novembre 2019, url, résumé

   La montée en fréquence de commutation des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) présente une avancée technologique conduisant à la réduction de la taille, du poids et du volume des systèmes de conversion de l’énergie. En effet, les propriétés physiques des transistors de type HEMT basés sur l’hétérostructure AlGaN/GaN présentent un fort potentiel pour le développement de convertisseurs statiques haute fréquence. Avec l’augmentation toujours croissante de la part de l’électronique de puissance dans les systèmes électriques actuels, cette filière technologique, associée à la filière du Carbure de Silicium (SiC), vise aujourd’hui à remplacer progressivement les composants de puissance à base de Silicium (Si) notamment pour des raisons de tension de claquage élevée, de robustesse vis-à-vis des conditions sévères de fonctionnement et d’intégration de puissance.
   La conception optimale des convertisseurs haute fréquence implique une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance au sein de ces systèmes. Ainsi, la conception de ces dispositifs repose sur des étapes d’analyse et de simulations menées à partir des modèles des semi-conducteurs de puissance et des éléments environnants. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthodologie de modélisation comportementale de transistors de puissance GaN en boitier basée exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives.
   Les techniques de caractérisation électriques utilisées pour la modélisation de transistors fonctionnant en gammes radiofréquences, telles que la mesure des paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé, sont ici adaptées à la caractérisation du transistor de puissance GaN encapsulé. A partir des résultats de caractérisation, les différents éléments linéaires et non linéaires du modèle électrique du transistor sont obtenus et un modèle électrique complet rassemblant ces éléments est implémenté dans le logiciel de simulation ADS. Un banc de test Double Pulse est alors conçu afin de mettre en application le modèle électrique développé. Après modélisation de l’environnement du transistor, y compris du circuit imprimé, les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux.
   Afin de tenir compte des effets de la température sur le fonctionnement du transistor, une méthodologie est proposée permettant d’obtenir le modèle thermique du composant à partir de mesures de puissance dissipée et d’une procédure d’optimisation. À partir du modèle obtenu, un convertisseur DC/DC utilisant le transistor GaN modélisé a été conçu et réalisé. Les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux pour différentes températures de fonctionnement du transistor et une prédiction du fonctionnement en continu du convertisseur est réalisée.

2. "Conception et réalisation des bobines PCB à base de matériau magnétique souple pour des convertisseurs HF"
   Ammar CHAFI, Thèse, Octobre 2019, url, résumé

   L'arrivée sur le marché des transistors au Nitrure de Gallium (GaN) permet l'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs statiques. La conséquence directe est la réduction des dimensions des composants passifs et l'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs. Les bobines utilisées pour le stockage et le filtrage sont des composants très volumineux et qui occupent une place importante dans les convertisseurs. Une solution permettant de réduire les dimensions de ces bobines consiste à augmenter la fréquence de fonctionnement des convertisseurs statiques grâce aux composants GaN. Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation des bobines de stockage d'énergie, réalisées à partir de pistes de circuit imprimé (PCB) et de matériaux magnétiques souples. Ces bobines sont destinées aux convertisseurs DC-DC hautes fréquences (HF) à base de transistors GaN. Les matériaux magnétiques souples commercialisés sous forme de feuilles présentent des caractéristiques magnétiques adaptées aux applications hautes fréquences. Ainsi, elles peuvent être découpées en différentes formes géométriques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une méthode de conception des bobines PCB à base de matériaux souples pour les convertisseurs HF. Elle est basée sur un algorithme d'optimisation du volume de la bobine en prenant compte les contraintes thermiques du matériau magnétique, mais également des capacités parasites qui apparaissent en HF. La bobine ainsi conçue est réalisée puis caractérisée afin de valider l’outil de conception proposé. La dernière étape consiste à intégrer la bobine obtenue dans un convertisseur Boost synchrone à base de transistors GaN commutant à une fréquence de 1 MHz. Dans le but de tenir compte finement des contraintes thermiques durant la phase de conception de la bobine, des améliorations sont proposées, on se basant sur les résultats de validation expérimentale.

3. "A DC-DC power converter study for High Voltage Direct Current (HVDC) grid: Model and control of the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC)"
   Yafang LI, Thèse, Juillet 2019, url, résumé

   This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the Modular Multilevel DC-DC Converter (M2DC).
   Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC.

2018

1. "Méthode d’optimisation du volume des bobines de mode commun pour la conception des filtres CEM"
   Bilel ZAIDI, Thèse, Novembre 2018, url, résumé

   Les convertisseurs statiques utilisés en électronique de puissance sont des sources de perturbations électromagnétiques conduites dans les hautes fréquences. Souvent, le filtrage passif assure la compatibilité électromagnétique des chaînes de conversion d’énergie. Ce travail de thèse présente une méthode d’optimisation du volume de la bobine de mode commun qui est généralement l’élément le plus volumineux du filtre. Le manuscrit commence par faire l’état de l’art des perturbations électromagnétiques conduites en électronique de puissance et des moyens qui permettent leur réduction. Ensuite, un calcul analytique de l’inductance de mode commun minimale qui permet de respecter la contrainte normative est présenté. Ce calcul prend en considération la perméabilité complexe du matériau magnétique et les impédances des différents chemins de propagation des perturbations de mode commun dans la chaîne de conversion. Une fois l’inductance minimale calculée, une méthode d’optimisation du volume de la bobine de commun monocouche qui tient compte de la saturation du matériau magnétique est présentée. L’application de la méthode proposée dans diverses situations a montré l’existence d’une meilleure inductance, pouvant être supérieure à sa valeur minimale, qui permet de réduire au mieux le volume de la bobine. Par ailleurs, des règles de dimensionnement en relation avec la fréquence de commutation du convertisseur et de son rapport cyclique sont définies. La dernière partie de cette étude est dédiée à la prise en compte des effets hautes fréquences de la capacité parasite équivalente de la bobine dans la procédure de dimensionnement. D’abord, une méthode pour la détermination des permittivités relatives du noyau magnétique et pour l’estimation de la capacité parasite équivalente est proposée. Cette méthode, accompagnée d’un calcul analytique de la capacité parasite maximale autorisée, permet d’adapter la géométrie de la bobine de mode commun afin de respecter la contrainte normative dans les hautes fréquences tout en optimisant son volume.

2. "Modélisation thermique des composants magnétiques planar pour l’électronique de puissance"
   Reda BAKRI, thèse, Juin 2018, url, résumé

   this research aims to provide suitable thermal models for planar magnetics components
   (PMC). First, high frequency losses (copper and core losses) issues are detailed, which are heat
   sources in PMC. Then, a state of the art of magnetic component thermal modeling is presented. To
   meet various needs of designers, two types of thermal models have been developed. A first
   analytical model, based on thermal resistance that enables to estimate temperature rise in the early
   design stage, is proposed. Its distinguishing feature is to take into account ambient temperature and
   loss values, in order to achieve an optimal design of PMC according to operating conditions.
   To compute 3D temperature distribution inside the component, and detect potential hotspots, a
   second model based on nodal thermal network (NTN) has been developed. It deals with permanent
   and transient cases, with different types of boundary conditions. The two models have been
   validated with numerical simulations and measurements on planar transformers laboratory
   prototypes.
   
   les travaux présentés ont pour objet de développer des modèles thermiques adaptés aux
   composants magnétiques planar (CMP). Après avoir détaillé la problématique des pertes en hautes
   fréquences (cuivre et fer), source d’échauffement dans les CMP, un état de l’art des différentes
   approches utilisées pour la modélisation thermique des composants magnétiques est présenté.
   Ensuite, pour répondre aux besoins des concepteurs, deux types de modèles thermiques sont
   proposés. Le premier, de type analytique, basé sur résistance thermique équivalente, permet
   d’évaluer l’échauffement d’un composant lors de la phase de pré-dimensionnement. Ce modèle a la
   particularité de tenir compte de la température ambiante et des pertes pour assurer un meilleur
   dimensionnement des CMP selon les conditions de fonctionnement. Pour déterminer la distribution
   3D de température au sein du composant et détecter d’éventuels points chauds, un second modèle de
   type réseau thermique nodal (RTN) a été développé. Ce modèle est généré automatiquement à partir
   de la description géométrique du composant. Il permet, de plus, d’étudier les régimes permanent et
   transitoire, tout en s’adaptant aux différents types de conditions aux limites. Ces deux modèles sont
   validés par simulations numériques et par des mesures sur des prototypes de transformateurs planar
   conçus en laboratoire.

2017

1. "Modélisation et conception de transformateurs planar pour convertisseur de puissance DC/DC embarqué"
   Jean Sylvio NGOUA TEU MAGAMBO, CENTRALE LILLE, Décembre 2017, url, résumé

   Confidentielle
   
   Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la problématique de développement de transformateurs planar pour l’intégration de puissance, dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft – MEA) où les contraintes de volume et de poids sont primordiales. Les composants magnétiques restent en effet un frein à l’intégration des systèmes d’Electronique de Puissance et les composants planar (transformateurs et inductances) offrent une alternative intéressante aux composants bobinés pour la réduction de la masse et de l’encombrement des convertisseurs.
   Dans ce manuscrit, des méthodes, un outil de dimensionnement et des prototypes de transformateurs planar (2 et 3 enroulements) en technologie feuillard et PCB sont développés pour des applications de convertisseur DC/DC aéronautique. Dans un premier temps, les modèles permettant le calcul des pertes, l'estimation de l'élévation de température et le calcul de l’inductance de fuite sont présentés et comparés afin de concevoir des outils de calculs pour la conception. Dans un deuxième temps, il est montré que la modification de la forme des angles des spires rectangulaires permet de réduire significativement les pertes cuivre HF. Sur la base de ces outils et résultats, des prototypes de transformateurs planar à 3 enroulements en PCB multicouches sont développés. De nombreux prototypes sont caractérisés et valident les modèles de dimensionnement proposés. Enfin, l’un de ces prototypes est intégré et testé dans un convertisseur de puissance DC/DC de 3.75kW mettant en évidence les gains obtenus.

2016

1. "Convertisseur à dimensionnement réduit pour batteries hybridées puissance/énergie de véhicule électrique : principe de source de courant contrôlée"
   Nicolas ALLALI, CENTRALE LILLE, Décembre 2016, url, résumé

   Titre de la thèse : Convertisseur à dimensionnement réduit pour batteries hybridées
   puissance/énergie de véhicule électrique : principe de source de courant contrôlée.
   Résumé : Ce mémoire présente une solution de conversion d’énergie permettant de coupler
   deux sources de tension électrique similaire à dimensionnement réduit. Appliqué à un système
   de stockage hybridé puissance/énergie pour véhicule électrique, cette solution présente un
   compromis de coût de production, de masse et de rendement énergétique meilleur que celui
   des hacheurs classiques. Nous proposons en réponse à cette problématique l’utilisation d’une
   source de courant contrôlée placée en série avec les deux sources de tension pour réaliser leur
   couplage. Une structure de convertisseur permettant ce couplage est étudiée, puis comparée
   à une structure classique, et enfin réalisée au travers d’un démonstrateur à échelle de tension
   réduite afin de mettre en évidence ses avantages et inconvénients.
   Mots clefs : Stockage hybride, électronique de puissance, hacheur, véhicule électrique,
   dimensionnement réduit, source de courant.
   Thesis title: Reduced sizing converter for hybrid batteries power/energy of electric vehicle:
   controlled current source principle.
   Abstract: This thesis deals with the development of a power conversion solution, allowing
   for the coupling of two similar voltage sources. Applied to a combined battery storage system
   power/energy for electric vehicles, the proposed solution presents a compromise between
   production costs, mass and energy performance, providing a better solution than those currently
   in existence. As such, the two voltage sources are coupled in series with a controlled
   current source. A structure of the converter allowing the coupling is studied and compared
   to a classic structure. Finally a demonstrator on a reduced voltage scale has been realized
   and shows advantages of this converter solution.
   Keywords: Hybrid storage, power electronics, DC/DC converter, electric vehicle, reduced
   sizing, current source.

2. "Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration dans le Réseau Electrique"
   Shabab SAMIMI, Centrale Lille, Novembre 2016, url, résumé

   0
   C. CABLE
   C.1. Cable data
   Each DC transmission is associated with two cables, one for the positive pole and one for
   the negative pole. They are buried beneath the ground. Electrical data are calculated thanks to the
   EMTP-RV® routine, main parameters are summarized in Table C-1.
   Table C-1 : Cable parameters (calculated at 10 µHz)
   Cable 320 kV 2500 mm² Cable 320 kV 500 mm²
   Cable section [mm²] 2500 500
   Nominal current [A] 1800 – 2700 700 – 1100
   Core resistance [mΩ/km] 5.3 3.1
   Screen resistance [mΩ/km] 60.2 88.2
   Core inductance [mH/km] 3.6 3.8
   Screen inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-screen mutual inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-to-ground conductance [µS/km] 0.06 0.04
   Core-to-ground capacitance [µF/km] 0.24 0.15
   Modular Multilevel Converter Model and Control for the integration to the grid
   system
   ABSTRACT
   In future, the capability of the electric power transmission continues to grow due to renewable
   energy production and the needs of electrical market. Consequently many HVDC transmission systems are
   developed. Definitely the power electronic interfaces will play a key role to provide high reliability, good
   efficiency and cost effectiveness for this AC/DC conversion. Recently, the Modular Multilevel Converter
   (MMC) has taken the advantage over the more classical converter as three-level VSC. Since MMC topology
   is complex, two different control levels may be distinguished: the control of the switches mainly orientated
   on the balance of hundreds of voltage on the elementary submodules, the higher level control whose aim is
   to control the currents, power and energy in the system. This thesis is oriented mainly on the latter. It
   discusses a hierarchical and formal approach for the MMC to control the energy in all the storage elements.
   At first it is shown that an energy control is required mandatory. Secondly, it supposes to develop an
   energetic model which is inverted to design the energy control. Then different solutions of control have
   been developed and discussed. In the majority of applications, MMC is integrated in an HVDC point to
   point link where the two AC/DC substations have different roles. A specific attention has to be paid on the
   station which controls the voltage since the way to manage the energy in the MMC has a critical role in the
   DC voltage stability. Finally, all these types of control have been tested and discussed on an HVDC. It is
   shown that the exchange between the DC bus and the MMC placed on both sides play a key role in the DC
   bus voltage regulation
   KEYWORDS: Modular Multilevel Converters, energy and Power Control, Modeling, High Voltage Direct
   Current (HVDC),
   Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration
   dans le Réseau Electrique
   RESUME:
   Le système de transport d’électricité doit évoluer pour satisfaire les besoins du marché de
   l’électricité et de l’insertion de la production renouvelable. Les systèmes de transport dits HVDC se
   développent. Les interfaces d’électroniques de puissance vont jouer un rôle majeur et doivent faire preuve
   d’une extrême fiabilité, d’une grande efficacité et rester économiquement abordables. La technologie
   MMC (Convertisseur Modulaire Multi-niveaux) connaît un essor par rapport à des technologies classiques,
   comme le convertisseur trois-niveaux. Sa topologie étant complexe, deux niveaux de contrôle peuvent être
   définis. Le premier niveau porte sur le contrôle des interrupteurs pour équilibrer les tensions des sousmodules.
   Le second niveau contrôle les courants, la puissance et l’énergie dans le système. Cette thèse est
   axée sur ce deuxième niveau de contrôle. Une approche hiérarchisée et formelle, basée sur l’inversion du
   modèle pour le contrôle de l’énergie du MMC est présentée. Pour ce contrôle, différentes méthodes ont
   été proposées et comparées. Cela implique de développer une modélisation, mettre en place un contrôle.
   Différentes modèles et contrôles ont été développés. Le MMC est généralement intégré dans une liaison
   HVDC où deux stations AC/DC ont un contrôle différent. Un soin particulier doit être apporté à la
   station dédiée au contrôle de la tension. En effet, la gestion de l’énergie dans le MCC est un point critique
   pour la stabilité de la tension. Enfin, les différents types de contrôle évoqués ont été étudiés dans le cas
   d’une liaison HVDC. Il a été montré que les échanges entre le bus DC et les MMC jouent un rôle
   important pour la régulation de la tension du bus DC.
   MOTS CLES : Convertisseur modulaire multiniveau, Contôle de l’enérgie et la puissance,
   Modélisation, Haute Tension Courant Continu (HVDC)

3. "Influence des stratégies de gestion d’une source hybride de véhicule électrique sur son dimensionnement et sa durée de vie par intégration d’un modèle multi-physique"
   Tedjani MESBAHI, CENTRALE LILLE, Mars 2016, url, résumé

   Ce mémoire contribue à l’amélioration des performances d’une source de stockage hybride embarquée alimentant un véhicule électrique. La solution investiguée est composée de l’association de batteries Li-ion et de supercondensateurs, dans le but d’obtenir, par rapport aux solutions classiques, un gain en masse et en durée de vie pour une certaine plage d’autonomie du véhicule. Notre objectif est de mettre à profit l’utilisation de nouvelles méthodes de gestion de la source hybride et de quantifier le gain obtenu. Un modèle multi-physique incluant les aspects électrique, thermique et vieillissement a été développé et intégré dans l’algorithme de gestion d’énergie afin d’évaluer la dégradation progressive des performances des éléments de stockage au cours des cycles de conduite selon la stratégie de gestion implantée. De nouvelles stratégies de gestion ayant pour objectif d’agir sur la durée de vie ont été évaluées. Leur impact sur les performances de la source en termes de masse, coût et durée de vie a pu être quantifié et montre bien que par une meilleure gestion des puissances, il est possible de mieux utiliser le stockeur hybride, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles approches de gestion d’énergie pour ces systèmes.

2015

1. "Stratégie de modulation pour la réduction des perturbations conduites générées par un variateur de vitesse à redresseur MLI"
   Medhi MESSAOUDI, Université Lille 1, Décembre 2015, url, résumé

   Les variateurs de vitesse sont constitués de convertisseurs statiques qui permettent de varier la vitesse de rotation des moteurs électriques triphasés. Cependant, ces convertisseurs sont à l'origine de perturbations électromagnétiques conduites de mode commun. L'objectif de ce travail porte sur la réduction ces perturbations conduites, par l’élaboration d’une nouvelle stratégie de commande basée sur la modulation de largeur d’impulsions (MLI). Cette commande est appliquée à un variateur de vitesse composé d’un redresseur MLI à absorption sinusoïdale. Un état de l’art des solutions d’atténuation des perturbations conduites a été réalisé ; à l’issu duquel, il en résulte que la MLI est une technique intéressante pour la réduction des perturbations de mode commun. Une stratégie de modulation basée sur la méthode de synchronisation des commutations entre redresseur et onduleur, nommée synchronisation totale, a été développée. Dans le but de mettre en avant l’impact de cette méthode sur le niveau des perturbations, une étude des phénomènes relatifs aux commutations des transistors de puissance est menée. Un modèle de représentation simplifié des commutations a permis l’évaluation des performances de la synchronisation totale sur la tension de en mode commun. Cette méthode a ensuite été validée expérimentalement au travers d’un prototype intégrant un algorithme d’application de la stratégie de modulation proposée. Les résultats obtenus ont permis de montrer les avantages de la méthode de synchronisation totale principalement dans la réduction des dimensions des filtres CEM utilisés pour la mise en conformité des variateurs de vitesse.
   Titre traduit
   Conducted common mode disturbances reduction PWM strategy generated by an adjustable speed drive with Active Front End
   
   
   Résumé
   The adjustable speed drives (ASDs) use the static converters that allow varying the speed of the three phase electrical motors. However, these converters are the main source of the common mode conducted emissions. The objective of this research work focuses on the reduction of conducted emissions, through the development of a new control strategy based on pulse width modulation (PWM). This strategy is applied to an adjustable speed drives that is composed from an Active Front End (AFE). A state of art of the different solutions of the reduction of the conducted emissions has been achieved. This study shows that the control strategy (PWM) is a useful technique for reducing common mode interferences. A new PWM strategy allowing the synchronization of all the switching cell of the AFE and inverter has been developed and will be noted "full synchronization". In order to highlight the impact of this method on the conducted emissions, a study of phenomena related to the power transistors' switching is carried out. A simplified model of the switching allowed the evaluation of the performances of full synchronization method on the common mode voltage. This method was then validated experimentally on an ASD prototype using the developed control strategy algorithm. The obtained results show the advantages of the proposed full synchronization method, mainly in the reduction of the dimensions of the EMI filters for compliance with EMC standards.

2. "Battery voltage stabilization system for automotive Stop- Start function: a linear power electronic solution / Système de stabilisation de la tension batterie pour la fonction Stop-Start automobile : solution à composants de puissance commandés en linéaire"
   Guido CHIAPPORI, CENTRALE LILLE, Février 2015, url, résumé

   Cette thèse présente un nouveau système de stabilisation de la tension batterie
   spécialement destinés aux véhicules Stop-Start, économique et compact, nommé LVSS
   (Linear Voltage Stabilization System). Le LVSS se comporte comme une résistance
   variable et limite le courant à l’aide de transistors MOSFET fonctionnant en mode
   linéaire. Il permet donc de stabiliser la tension de la batterie pendant le démarrage du
   moteur à combustion interne (ICE).
   Un prototype a été conçu et testé sur une voiture. Les résultats ont montré que la
   tension était stabilisée tout en limitant le courant de démarrage. De plus la solution
   proposée n’impacte pas sur les performances globales du système Stop-Start et comme
   les transistors fonctionnent en mode linéaire, cette solution n’émet pas de perturbations
   CEM.
   This thesis presents a new Linear Voltage Stabilization System (LVSS)
   specially designed for μ-hybrid vehicles using the Stop-Start function. The LVSS
   stabilizes the battery voltage during the start-up of the Internal Combustion Engine
   (ICE) limiting the start-up current using parallels MOSFETs working in linear mode.
   A prototype was developed and tested in a car. Results have shown the battery voltage
   properly stabilized limiting the start-up current. Furthermore the proposed solution does
   not impact on the overall performance of the Stop-Start. Main advantages are its small
   volume, low price and the fact that there is no EMC perturbation as transistors work in
   linear mode.

2014

1. "Caractérisation et Modélisation des Composants Semi-conducteurs à Grand Gap : Application aux Convertisseurs HF"
   Ke LI, Université de Lille, Octobre 2014, url, résumé

   Les matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) ont des propriétés physiques intéressantes. Ils sont utilisés pour fabriquer des composants semi-conducteurs de puissance, qui vont jouer un rôle très important dans le développement des futurs systèmes de conversion d’énergie. L’objectif est de réaliser des convertisseurs avec de meilleurs rendements énergétiques et fonctionnant à haute température. Pour atteindre cet objectif, il est donc nécessaire de bien connaître les caractéristiques de ces nouveaux composants afin de développer des modèles qui seront utilisés lors de la conception des convertisseurs. Cette thèse est donc dédiée à la caractérisation et la modélisation des composants à grand gap, mais également l’étude des dispositifs de mesure des courants des commutations des composants rapides.
   
   Afin de déterminer les caractéristiques statiques des composants semi-conducteurs, une méthode de mesure en mode pulsé est présentée. Dans le cadre de cette étude, une diode SiC et un JFET SiC "normally-off" sont caractérisés à l’aide de cette méthode. Afin de mesurer les capacités inter-électrodes de ces composants, une nouvelle méthode basée sur l’utilisation des pinces de courant est proposée. Elle permet de réaliser des mesures sous tension grâce à une isolation galvanique entre les équipements de mesure et le circuit de puissance. Cette méthode permet également de mesurer les faibles valeurs des capacités inter-électrodes d’un HEMT GaN.
   
   Des modèles comportementaux d’une diode Si et d’un JFET SiC sont proposés en utilisant les résultats de caractérisation. Le modèle de la diode obtenu est validé par des mesures des courants au blocage (recouvrement inverse) dans différentes conditions de commutation. Pour valider le modèle du JFET SiC, une méthode de mesure utilisant une sonde de courant de surface est proposée. Avec une faible impédance d’insertion et une large bande passante, elle est également utilisée pour mesurer les courants dans un HEMT GaN. Le modèle du JFET SiC est alors validé dans différentes conditions de fonctionnement.

2013

1. "Modélisation des perturbations électromagnétiques dans les convertisseurs statiques pour des applications aéronautiques"
   Clément MARLIER, Université de Lille, Décembre 2013, url, résumé

   Depuis les années 1990, l’énergie électrique a tendance à supplanter les autres énergies de servitude
   à bord des avions. Ceci offre des gains notables en terme de poids, volume et coûts
   de maintenance. L’énergie électrique remplit des fonctions de plus en plus variées grâce à la
   généralisation de l’utilisation de convertisseurs statiques. Ces convertisseurs sont basés sur l’utilisation
   de composants semi-conducteurs en commutation qui génèrent des variations rapides
   de tension (dv/dt) et de courant (di/dt). Ceci engendre des perturbations électromagnétiques
   (PEM) à haute fréquence qu’il faut minimiser afin de respecter les normes de compatibilité électromagnétiques
   (CEM). La conformité aux normes est souvent obtenue en ajoutant un filtre
   lourd et volumineux au système, ce qui réduit les gains apportés par la transition vers l’avion
   plus électrique. Afin d’optimiser les aspects CEM, il est intéressant de prendre en compte la
   contrainte de CEM dès la phase de conception, pour cela, il faut disposer d’outil de simulation
   prédictive. Dans cette thèse nous proposons une méthode de modélisation des perturbations
   conduites émises par un système de conversion d’énergie valable jusque 50MHz. Pour cela, notre
   travail se divise en deux parties. D’une part, nous proposons une méthode de modélisation HF
   des chemins de propagation des perturbations, incluant notamment les câbles d’énergie et la
   machine électrique. D’autre part, nous proposons une méthode de modélisation des sources de
   perturbation (convertisseur statique) en domaine fréquentiel. Cette méthode est basée sur la
   modélisation de la cellule de commutation par l’utilisation de plusieurs topologies de générateurs
   équivalents et permet de représenter le comportement non-linéaire des interrupteurs de
   puissance. Cette méthode est validée expérimentalement sur un hacheur série et sur un onduleur
   monophasé.

2. "(Français) Caractérisation et modélisation HF des matériaux magnétiques pour la conception des composants passifs des filtres CEM. (Anglais) HF characterization and modeling of magnetic materials for the passive components used in EMI filters."
   Carlos CUELLAR, Université de Lille, Octobre 2013, url, résumé

   (Français) Les commutations des interrupteurs dans les convertisseurs statiques sont à l’origine des principales perturbations faisant l’objet de la compatibilité électromagnétique (CEM). La réduction de ces perturbations se fait, entre autre, à l’aide de filtres CEM qui nécessitent l’utilisation de noyaux magnétiques. Ces noyaux doivent posséder des propriétés physiques adaptées pour assurer le bon fonctionnement du filtre CEM dans la gamme des hautes fréquences (HF), et ce, quel que soit les contraintes d’utilisation. Ainsi, dans ce travail, des méthodologies et des modèles sont développés afin de dimensionner le filtre CEM dans les conditions réelles de fonctionnement.
   Tout d’abord, le noyau magnétique est étudié pour de faibles signaux d’excitation en proposant une méthode de caractérisation de la perméabilité magnétique complexe en HF. Deux modèles, l’un analytique et l’autre en circuit équivalent, sont développés. Dans un second temps, le matériau est considéré saturable. C’est pourquoi, une approche non-linéaire est développée pour représenter le matériau, avec et sans hystérésis, tout en y incluant le comportement capacitif du matériau en HF. De plus, une méthode expérimentale, basée sur l’utilisation d’une spire plate, est proposée pour caractériser l’hystérésis magnétique.
   Enfin, une amélioration de la méthode d’injection de courant est proposée, notamment par l’utilisation de nouvelles sondes, pour caractériser l’impédance d’entrée d’un convertisseur. Cette impédance, combinée avec les modèles précédents de matériaux, sont utilisée pour déterminer la perte d’insertion d’un filtre CEM. Les résultats de simulations sont validés par la mesure expérimentale.
   
   (Anglais) The switching semiconductor devices in static-converters are the main source of electromagnetic interference (EMI). Reduction of these emissions can be achieved by different techniques including the use of EMI filters which design requires the use of magnetic cores. These must have adequate physical properties allowing the EMI filter to fulfill its task within a specified frequency range whatever the operating conditions (saturation, temperature…). Therefore, in the present work, some methodologies and models are developed in order to be able to design the EMI filter within its real conditions of operation.
   First, the magnetic core is considered in small-signal conditions and a method is proposed to measure the complex magnetic permeability in high frequency (HF). Two models, analytical and lumped-circuit network, are developed to account for the HF characteristics. In a second step, the material is considered saturable as the EMI filter can be subjected to more important currents, leading to the modification of its main characteristics. Then, a non-linear modeling approach, with and without hysteresis effect, including a material capacitance is considered for modeling the magnetic core. Additionally, a technique is proposed to characterize in HF the magnetic hysteresis loop from a single turn flat coil configuration.
   Finally, an improved current injection method, with new designed current probes, is used to characterize the input impedance of a converter. The impedance, combined with the developed small-signal and high-signal material models, is used to predict the insertion loss of an EMI filter. Simulation results are validated by the experiment.

3. "COMPARAISON DES PERFORMANCES ELECTRIQUES D’UN ONDULEUR TRIPHASE DEUX NIVEAUX A COMMANDES DIRECTES ET INDIRECTES CONNECTE AU RESEAU"
   Sophie FERNANDEZ, CENTRALE LILLE, Octobre 2013, url, résumé

   Les exigences des normes de raccordement des sources de production décentralisées au réseau électrique français imposent au système de conversion une qualité des grandeurs électriques en sortie des convertisseurs. Leur rendement est également une exigence de premier plan étant donné les puissances mises en jeu. L’enjeu est ici d’évaluer et améliorer le compromis qualité/rendement de ces systèmes de conversion par leur stratégie de commande MLI.
   Pour répondre à ces exigences, des stratégies à hystérésis triphasé (contrôle direct), appliquées sur une structure d’onduleur de tension triphasé deux niveaux, ont été développées garantissant un comportement comparable des trois courants de ligne. Des contrôles sur les courants de ligne, ainsi que sur les courants polygonaux fictifs ont été mis en œuvre. Ces deux types de contrôle sont basés sur les mêmes règles et critères simples de modulation, afin de pouvoir être implantés simplement sur des systèmes temps réel et pouvoir être ensuite étendus à des structures de convertisseur entièrement commandés plus complexes. La plupart de ces contrôles ont fait apparaître des familles d’harmoniques dans le spectre de tension produit, traduisant une régularité naturelle dans les commutations produites de ces contrôles directs. Dans ce travail, la largeur des bandes d’hystérésis a été considérée fixe, mais ce paramètre de réglage pourrait être exploité dans le but de jouer également sur le rendement.
   Les performances électriques et énergétiques de ces nouveaux contrôles directs ont été évaluées et certains se sont révélés meilleurs sur ces deux critères que les contrôles directs bibliographiques.

4. "Intérêt d’une Source d’Energie Electrique Hybride pour véhicule électrique urbain – dimensionnement et tests de cyclage"
   Rehda SADOUN, CENTRALE LILLE, Juin 2013, url, résumé

   English:
   
   Currently, the main embedded storage system supplying the electric vehicles is composed of Li-ion batteries. The electrical characteristics information’s provided by the battery manufacturers (power, energy and capacity) are reliable; it is not the same for aging. Indeed, the lifetime gave by manufacturers is estimated on the basis of charge / discharge tests at constant current, while aging is a criterion which depends strongly on the real use conditions. This thesis is one of the common themes of work that ESTACA leads in collaboration with L2EP about the electric vehicles research projects. The objective of this work is to study the interest of a hybrid source composed of Li-ion batteries and supercapacitors to supply an urban electric vehicle and evaluate the impact of hybridization on the Li-ion batteries lifetime.
   Firstly, an energy management strategy based on deterministic rules is developed to control the power between the battery and supercapacitor. To demonstrate the combination utility, different Li-ion battery technologies (Li-ion high power, high-Li-ion energy) are used on the sizing step. Through this study, we could propose an optimal solution (masses, volumes, costs, autonomy...) consisting of an energetic battery and supercapacitor. This study also shows that the batteries power type don’t need hybridization, when the high energy batteries can’t supply the vehicle without hybridization with the supercapacitors.
   The second part of this thesis evaluates the hybridization contributions in terms of aging. In this case, we have followed the evolution of capacity and the internal resistance losses of high power and high energy batteries type in, respectively, single-source and hybrid configurations. For this study, a test bench, developed for cycling and characterization of storage systems, was used. The results obtained provide the opportunity to choose Li-ion battery technology that could be the most interesting for the supply of electric vehicles.
   French:
   actuellement, la principale source d’énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Bien que les données fournies par les constructeurs de batteries sur les caractéristiques électriques (puissance, énergie et capacité nominale) de leur produit, soient fiables et exploitables, il n’est pas de même pour le vieillissement. En effet, la durée de vie fournie par les constructeurs est estimée sur la base des essais de charge/décharge à courant constant, alors que le vieillissement est un critère qui dépend vigoureusement des conditions réelles d’utilisation. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L’ESTACA en collaboration avec le L2EP pour réaliser des projets R&D sur la chaine de traction des véhicules électriques. L’objectif ce projet est d’étudier l’apport d’une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d’un véhicule électrique urbain et d’évaluer l’impact de l’hybridation sur la durée de vie des batteries Li-ion.
   Dans un premier temps, une stratégie de gestion des flux énergétiques entre la batterie et le supercondensateur basée sur l’approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l’intérêt de l’association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l’autonomie. Cette méthode nous a permis de montrer l’avantage de l’hybridation pour certaines technologies et la non-nécessité d’une hybridation pour d’autres. A travers cette étude, on a pu proposer une solution optimale (masses, volumes, coûts, autonomie,…) composée d’une batterie énergétique et un supercondensateur.
   La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l’évaluation de l’apport de l’hybridation en termes de durée de vie. Dans ce cas, on a suivie l’évolution du vieillissement des deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l’alimentation des véhicules électriques.

2012

1. "Modeling and Design of Passive Planar Components for EMI Filters"
   Wenhua TAN, Centrale LILLE, Novembre 2012, url, résumé

   Abstract:
   The high switching frequency of power converters makes the electromagnetic
   interferences (EMI) a critical problem for engineers. EMI filter are thus widely
   implemented in electronic systems for the compliance with stringent
   electromagnetic compatibility (EMC) standards. Meanwhile, due to the pursuit of
   the integration and miniaturization of systems, planar magnetic components
   become a promising technology for future power electronics and gain a growing
   application area, including their applications in EMI filters.
   To use a component, reliable model are necessary. In particular for the
   planar magnetic components dedicated to EMI applications, effective models
   containing all the parasitic elements can help the designers to predict the high
   frequency performances of the filters using these planar components. However, the
   existing research work on this topic seems very limited, which becomes the
   motivation of this PhD work. Therefore, a major part of this dissertation attempts
   to study several important modeling aspects of the planar inductor (or choke) for
   EMI filter applications.
   The construction of the equivalent circuit for planar components in EMI
   filters via experimental approach is studied first. An improved model for planar
   common mode (CM) chokes is presented together with a systematic procedure for
   parameter extraction based on impedance measurements and fitting algorithm.
   Detailed explanation and experimental tests are given for validating the model and
   the extraction procedure.
   Next, the modeling of parasitic capacitances through theoretical approach is
   explored. An analytical procedure based on electric field decomposition (EFD)
   method and energy approach is introduced. The EFD method analyzes the 2D
   capacitance matrix for the PCB structures of studied planar components. The
   influence of ferrite core is also considered by using simple formulation. Finally, an
   energy approach is applied for finding the equivalent parasitic capacitances of the
   component of interest.
   In order to develop a tool that is more general and more adapted for
   computer calculation, the third part of this dissertation is dedicated to a semianalytical
   2D modeling method of the parasitic capacitances and leakage inductance
   of a planar CM choke. For the calculation of the parasitic capacitances, analytical
   multilayered Green’s function is obtained to solve the Poisson’s equations in
   electrostatic. The method of moment (MoM) is then employed to calculate the 2D
   capacitance matrix for the cross-section of the studied component. For calculating
   the leakage inductance, the multilayered Green’s function method is extended for
   magnetostatic analysis. Numerical integration is then implemented for obtaining the
   information on the magnetic field. Both of these methods are verified by simulation
   results.
   Apart from the modeling, this PhD work also proposes two conceptions for
   EMI filter design. The first one consists in an improved parasitic capacitance
   cancellation technique using structural parasitic elements. The second conception
   introduces the association of two magnetic cores with different materials and
   geometries to realize a compact common mode (CM) and differential mode (DM)
   choke for EMI filtering.

2011

1. "Amélioration du rendement des Alimentations Sans Interruption"
   Corentin RIZET, co-encadrement G2Elab-L2EP, Mai 2011, url, résumé

   AMÉLIORATION DU RENDEMENT DES ALIMENTATIONS SANS INTERRUPTION
   Les Alimentations Sans Interruption sont utilisées pour assurer la qualité et la
   continuité de l’énergie fournie aux charges sensibles. Basées sur deux conversions
   d’énergie électrique, ces alimentations supportent en permanence la puissance de la
   charge, ce qui rend coûteux leur rendement. Cette thèse a permis d’explorer
   différentes voies d’amélioration du rendement du commutateur assurant la conversion
   : le choix des composants semi-conducteurs, celui de la structure de conversion et du
   mode de fonctionnement. Le filtrage a été pris en compte sans faire l’objet
   d’investigations poussées. Une méthode d’estimation générique du rendement,
   exploitant les données des constructeurs, a permis de quantifier l’impact et les limites
   de chaque voie explorée. Plusieurs structures de conversion multi-niveaux en
   commutation douce ont été développées, utilisant un pôle résonant innovant. Enfin,
   plusieurs expérimentations ont validé les modèles utilisés, le concept du pôle résonant
   et le rendement d’un prototype fonctionnel de 125 kVA.
   MOTS-CLÉS Électronique de puissance, Conversion statique, Rendement, Pertes,
   Structures multi-niveaux, Commutation douce, ARCP.
   EFFICIENCY IMPROVEMENT OF THE UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLIES
   The Uninterruptible Power Supplies are used to supply such critical load with a
   high level of quality and continuity. Two consecutive conversions permanently
   provide the whole power, leading the efficiency a key point. To improve the efficiency
   of the semi-conductors part, three ways have been studied in this thesis: The semiconductor
   area, the topology of the converter and the switching mode. The filter losses
   have been taken into account based on the state of the art. To quantify the efficiency
   of each way, an accurate and generic method based on the datasheet from
   manufacturers is explained. Some soft-switching multi-level topologies have been
   developed and patented. Finally, experimentations have been achieved to assess the
   relevance of the models, the working of new topologies and the efficiency of the
   proposed 125 kVA UPS.
   KEY-WORDS Power electronic, Static conversion, Efficiency, Losses, Multi-level
   topologies, Soft-switching, ARCP.

2010

1. "Modulation naturelle généralisée des convertisseurs matriciels pour la variation de vitesse"
   François GRUSON, Centrale LILLE, Décembre 2010, url, résumé

   Mots-clés :
   Electronique de Puissance, Variateur de vitesse, Convertisseurs statiques,
   Convertisseurs AC-AC, Convertisseurs matriciels, Modulation de largeur d’impulsion,
   Commande rapprochée, Commutations.
   Résumé :
   La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de
   l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter
   en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC).
   Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe
   AC/AC pour piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé.
   Ce mémoire présente une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les
   stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels ‘‘double étage’’. Une
   modulation scalaire généralisée est développée et associée à un modulateur par porteuse,
   équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs directs
   triphasés. Cette généralisation a permis de mettre en avant des modulations à nombre de
   commutation réduit par période de découpage, et de mettre en évidence qu’une solution
   particulière réduit les pertes et améliore le comportement électromagnétique du dispositif
   comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes
   réelles (commande rapprochée des interrupteurs, les protections ainsi que le filtrage) a été
   abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation
   ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement
   direct à la fréquence réseau, non moduler, donc à faibles pertes, est proposé.
   Key words:
   Power electronics, adjustable speed drives, static converters, AC-AC converters,
   Matrix converters, Pulse width modulation, Transistor control, Switching.
   Abstract:
   In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for
   electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two
   static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly
   proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct
   conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation
   strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase
   input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with
   a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix
   converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduce
   the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a
   modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance
   compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical
   constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used
   to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented
   experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an
   equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and
   therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced,
   permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct
   mode without modulation.

2. "ULTRA-CAPACITOR BASED REGENERATIVE ENERGY STORAGE AND POWER FACTOR CORRECTION DEVICE FOR CONTROLLED ELECTRIC DRIVES"
   Petar GRBOVIC, Centrale LILLE, Juillet 2010, url, résumé

   Dispositif correcteur de facteur de puissance à base de
   super-condensateur pour variateur de vitesse
   Les variateurs de vitesse modernes sont exclusivement basés sur l’utilisation de moteurs triphasés
   alimentés par des onduleurs à modulation de largeur d’impulsion (MLI). La plupart des applications modernes
   de la variation de vitesse, comme les ascenseurs, les grues et les machines-outils sont caractérisées
   principalement par un rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une forte demande de
   freinage à la puissance nominale. Dans les variateurs de vitesse ordinaires, l’énergie de freinage, qui est de
   l’ordre de 30 à 50% de l’énergie consommée, est dissipé dans une résistance. Outre les problèmes
   « énergétiques », les interruptions et dégradations de la tension d’alimentation ainsi que la qualité du courant
   d’entrée et la fluctuation de la charge, sont d’autres questions à aborder et à résoudre.
   Le super-condensateur dédié aux applications de conversion de puissance est ainsi proposé. Un
   variateur de vitesse équipé avec des super-condensateurs est présenté dans la thèse. Les super-condensateurs,
   interconnectés par un convertisseur DC-DC sont utilisés pour stocker et ré-injecter l'énergie de freinage. De plus,
   le convertisseur DC-DC contrôle le courant du redresseur et la tension du bus DC. Le THD du courant d’entrée
   est ramené à 30%. La tension du bus DC est élevée et en permanence contrôlée et lissée indépendamment de la
   charge et de la variation de la tension réseau. Pour terminer, les pics de puissance peuvent être lissés. La
   solution présentée est analysée théoriquement et vérifiée par un ensemble de simulations et
   expérimentations. Les résultats sont présentés et commentés.
   Ultra-capacitor based regenerative energy storage and
   power factor correction device for controlled electric drives
   Modern controlled electric drives are exclusively based on three-phase motors that are fed from threephase
   pulse width modulated (PWM) inverters. Most of modern controlled electric drive applications, such as
   lifts, cranes and tooling machines are characterized by high ratio of the peak to average power, and high demand
   for braking at the rated power. In ordinary drives, the braking energy, which represents 30-50% of the consumed
   energy, is dissipated on a braking resistor. Apart from the “energetic” issue, the mains interruption and
   degradation, the input current quality and the load fluctuation are additional issues to be addressed and solved.
   The ultra-capacitor dedicated for power conversion applications has been discussed. In comparison to
   electrochemical batteries, the ultra-capacitors have higher power density and efficiency, longer life time and
   greater cycling capability. This makes the ultra-capacitor an excellent candidate for power conversion
   applications.
   A new electric drive converter equipped with the ultra-capacitor is presented in the dissertation. The
   ultra-capacitor with an inter-connection dc-dc converter is used to store and recover the drive braking energy.
   Moreover, the dc-dc converter controls the rectifier current and the dc bus voltage. The drive input current THD
   is reduced to 30%. The dc bus voltage is boosted and controlled constant and ripple free regardless on the load
   and the mains voltage variation. Moreover, the drive input peak power can be smoothed. The presented solution
   is theoretically analysed and verified by set of simulations and experiments. The results are presented and
   discussed.

2009

1. "Modélisation haute fréquence des convertisseurs d’énergie. Application à l’étude de la propagation des émissions conduites vers le réseau"
   Maxime MOREAU, thèse, Décembre 2009, url, résumé

   Ces travaux de recherche portent sur la problématique CEM (Compatibilité Electromagnétique) en électronique de puissance. Cette étude s'intéresse particulièrement à la modélisation HF (haute fréquence) des convertisseurs d'énergie dans le but d'étudier la propagation des perturbations conduites vers le réseau avec ou sans l’utilisation du RSIL (Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne). Une première partie présente les outils de modélisation des sources de perturbation dans les convertisseurs statiques.La seconde partie est consacrée à la modélisation HF d'un système d'entraînement à vitesse variable. L'onduleur de tension triphasé est représenté par trois générateurs équivalents afin de reconstituer le découpage des tensions de sortie. Un modèle HF du câble blindé de 4 conducteurs tenant compte de la dissymétrie est ensuite proposé. Les résultats de simulation ont été validés par des relevés expérimentaux. La comparaison montre qu'il est possible de modéliser correctement le comportement HF du dispositif jusqu'à 20MHz.Une troisième partie porte sur la propagation des perturbations conduites vers le réseau sans RSIL. Il a fallu pour cela déterminer et modéliser l'impédance du réseau. L'influence du pont redresseur à diodes sur la propagation des perturbations de mode commun a ensuite été étudiée. Les résultats de simulation montrent que l'impact de ces perturbations sur la tension réseau est prépondérant lorsque le pont redresseur est à l'état bloqué. Les résultats expérimentaux ont permis de valider cette étude. Ce travail se termine par une étude préliminaire sur l'association de deux convertisseurs connectés localement à une même source d'énergie
   
   These research works focus on EMC (Electromagnetic Compatibility) in power electronics systems. Specifically, the study focuses on HF (high frequency) modeling of the power converters in order to study the conducted emissions toward the power grids with or without the use of an LISN (Line Impedance Stabilisation Network). The first part presents the modeling tools of the electromagnetic emissions sources in power converters.The second part describes the HF modeling method of an adjustable speed drive (ASD) that will be used to estimate the conducted emissions. In a first part, a behavioural model of PWM inverter is proposed as an EMI noise source. Then, a model of the shielded 4-wire energy cable that taking into account of the dissymmetry structure is proposed and validated in the frequency domain for two different lengths. The comparison of measurement and simulation results of conducted emissions (with LISN) shows the good compromise between the simulation duration and accuracy of the results.A third part is dedicated to the propagation of conducted emissions toward the power grid without using a LISN. The first stage consists in proposing a model impedance of the network impedance. The influence of the bridge rectifier diodes on the propagation paths of common mode disturbances has been studied in the second step. The simulation results show that the impact of these disturbances on the network voltage is more important when the bridge rectifier is normally off-state. The experimental results have validated this study. This work concludes with a preliminary study on the association of two converters connected locally to a single energy source

2008

1. "Variateur de vitesse à impact électromagnétique réduit: onduleur multiniveaux et nouvelles stratégies de modulation"
   Arnaud VIDET, Centrale LILLE, Décembre 2008, url, résumé

   Parmi les convertisseurs d’électronique de puissance, les variateurs de vitesse utilisés pour l’alimentation des
   machines électriques sont source de perturbations électromagnétiques à haute fréquence telles que les courants de
   mode commun et les surtensions aux bornes des moteurs. Le travail porte sur la réduction de ces perturbations
   par l’emploi d’un convertisseur multiniveaux associé à de nouvelles lois de commande rapprochée. Après un état
   de l’art des méthodes d’atténuation existantes, l’onduleur à trois niveaux de type neutral-point-clamped (NPC)
   est retenu comme structure de conversion continu-alternatif et une nouvelle stratégie de modulation de largeur
   d’impulsion (MLI) est développée en vue de réduire les courants de mode commun générés par l’onduleur. Les
   phénomènes entrant en jeu dans les commutations des interrupteurs de puissance sont analysés et modélisés
   afin d’établir des contraintes de commande permettant de maximiser les performances de la MLI proposée.
   Parallèlement, l’utilisation de câbles longs entre le variateur et la machine soulève une contrepartie vis-à-vis des
   surtensions moteur qui est maîtrisée par l’exploitation adéquate des degrés de liberté de la nouvelle MLI. Enfin,
   la problématique de régulation du point milieu capacitif du bus continu est abordée. La stratégie proposée est
   implantée expérimentalement par l’intermédiaire d’une modulation naturelle par porteuses, et les résultats de
   mesure montrent un gain de cinq décibels sur les courants de mode commun par rapport aux stratégies classiques
   tout en limitant les surtensions générées aux bornes du moteur et en assurant l’équilibrage du bus continu.

2006

1. "Modélisation des câbles d’énergie soumis aux contraintes générées par les convertisseurs électroniques de puissance"
   Yannick WEENS, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2006, url, résumé

   Nous proposons une méthode de modélisation HF des câbles d’énergie, blindés ou non
   blindés, tenant compte de l’évolution des paramètres linéiques en fonction de la fréquence, et
   qui se décompose en 3 étapes :
   
   
   - Détermination des paramètres linéiques à partir de mesures au pont d’impédance
   
   
   - Modélisation des paramètres variant avec la fréquence par des réseaux R-L ou R-C
   
   
   - Décomposition du modèle en cellules élémentaires
   
   
   Pour la détermination des paramètres linéiques, nous avons comparé les résultats obtenus par 3 méthodes : formulations analytiques, calcul éléments finis et mesure au pont d’impédance.
   En effet, lorsque les problèmes posés par les dimensions du câble ou les connexions au pont
   rendent les mesures impossibles, seules les méthodes analytiques ou éléments finis permettent
   de calculer les paramètres.
   
   Tous les modèles de câbles ont été validés de façon satisfaisante dans le domaine fréquentiel
   entre 100kHz et 40MHz.
   
   Les validations dans le domaine temporel ont été effectuées dans un système variateur de
   vitesse, ce qui a nécessité la modélisation HF du moteur asynchrone et du convertisseur. Nous
   avons proposé deux méthodes de modélisation du moteur : asymptotique et analytique.
   
   Les résultats montrent une bonne concordance entre mesure et simulation. Toutefois, pour le
   câble blindé de 4 conducteurs, l’écart entre les résultats de mesure et de simulation augmente
   en même temps que la longueur du câble ; ceci peut être attribué à l’hypothèse de symétrie du
   câble, alors que les distances entre les 4 conducteurs ne sont pas toutes identiques.
   
   Les modèles obtenus permettent d’identifier les chemins de propagations des courants HF
   dans les variateurs de vitesse, et de proposer des solutions permettant de réduire les
   surtensions aux bornes du moteur.

2. "Modélisation électrique et énergétique des supercondensateurs et méthodes de caractérisation : Application au cyclage d’un module de supercondensateurs basse tension en grande puissance"
   Nassim RIZOUG, Ecole centrale de Lille, Février 2006, url, résumé

   Ce mémoire présente un travail sur le comportement électrique et énergétique des supercondensateurs dans des applications de type traction électrique. Il développe un outil de caractérisation du comportement des supercondensateurs afin de les exploiter dans les applications « courant fort » telles que le transport. Le banc de test développé dans notre laboratoire a permis la caractérisation d’un module de supercondensateurs 112F-48V constitué de 24 composants Maxwell 2700F/2,3V.
   En premier lieu, la modélisation du composant nous a paru indispensable pour représenter le comportement de ces composants. Pour cela, deux modèles représentant le comportement énergétique et électrique des supercondensateurs ont été développés. Différentes approches connues ont été confrontées pour aboutir à une méthode simple d’identification, associant des mesures temporelles et fréquentielles.
   En utilisant ces modèles, une caractérisation de quatre éléments du module avec un suivi de l’évolution des caractéristiques de chaque élément a été effectuée en fonction de la température. D’autre part, l’observation du vieillissement du module et d’un élément de ce dernier pour les 200.000 premiers cycles a permis de suivre la dégradation des caractéristiques (R, rs et C) des supercondensateurs en fonction du nombre de cycles effectués.
   Enfin, un des objectifs initiaux était d’aborder le problème de mise en série du composant afin de l’utiliser en Génie Electrique. Les essais de cyclage réalisés sans dispositif d’équilibrage (hormis les impédances du système de mesure) ont permis d’observer une dispersion naturelle des tensions dépendant de la localisation du composant dans le module.

1993

1. "Modélisation des commutations du thyristor GTO dans une structure hacheur série par la méthode Bond-Graph. Application au fonctionnement en interrupteur résonnant"
   Nadir IDIR, Université des Sciences et Techniques de Lille, Septembre 1993, url
1990

1. "Gradateur triphasé à 4 thyristors"
   Philippe LE MOIGNE, Lille, Octobre 1990, url, résumé

   Pour régler la puissance débitée par une source triphasée dans un récepteur, il est habituel d'utiliser un gradateur triphasé à 6 thyristors. La structure présentée, appelée gradateur économique, permet la suppression de deux thyristors d'une même phase. Cette dissymétrie structurelle entraîne un déséquilibre sur la charge pour les deux types de commande usuels : 1) variation de l'angle de phase; 2) trains d'ondes. La variation symétrique de l'angle de phase, bien que permettant un réglage de la puissance globale dissipée dans le récepteur, introduit un déséquilibre. Il est cependant possible d'améliorer les performances du système en utilisant une commande dissymétrique. Commandé par trains d'ondes et dans les conditions usuelles d'utilisation, il est peu perturbé par la dissymétrie structurelle. De plus, cette structure permet la mise en oeuvre d'une commande simple, la troisième phase servant naturellement de retour à la source. L'utilisation du gradateur économique, dans une structure insérant un transformateur entre le gradateur et la charge, peut être envisagée à condition d'adopter une stratégie de commande prenant en compte les contraintes apportées par le transformateur. Enfin, une synthèse sur les perturbations induites sur le réseau par les gradateurs utilisés pour le chauffage électrique, montre l'avantage de la commande par trains d'ondes


Equipe Outils et Méthodes Numériques
2024

1. "Contrôle non destructif électromagnétique et ultrasonore en vue de l’évaluation des propriétés mécaniques d’aciers martensitiques"
   Marwane DHERBÉCOURT, Thèse de l'Université de Lille, Mars 2024, résumé

   Les produits tubulaires commercialisés par Vallourec subissent des tests destructifs rigoureux pour s’assurer que leurs propriétés mécaniques soient conformes aux normes et aux spécifications. En particulier, les tubes en acier sans soudure destinés au marché du pétrole et du gaz doivent être des produits fiables et durables. Pouvoir mesurer de manière non destructive certaines des propriétés mécaniques de ces aciers répondrait à un besoin industriel fort. C’est le défi auquel cette thèse veut répondre : mettre en place une méthodologie permettant de mesurer une ou plusieurs grandeurs mécaniques des nuances d’acier Vallourec, à partir de signaux obtenus par des techniques de contrôle non destructives (CND). Afin de décorréler rigoureusement les différentes contributions qui influencent les mesures expérimentales, une analyse détaillée des mécanismes impliqués est nécessaire. L’étude des propriétés mécaniques des aciers étant un domaine extrêmement riche, nous ne nous intéresserons qu’aux nuances d’acier OCTG (Oil Country Tubular Goods). Ces aciers martensitiques sont destinés aux applications de forage, d’extraction du pétrole et du gaz naturel. Aussi, notre attention se porte sur l’évaluation des propriétés suivantes : limite d’élasticité, résistance à la traction, dureté et l’état de contrainte. Pour ce faire, des techniques CND électromagnétiques et ultrasonores pour la caractérisation matériaux des aciers sont mises en place.

2. "Contribution au développement d'une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques de machines synchrones à aimants permanents polyphasées utilisées en éolien offshore"
   Anthony EL HAJJ, Thèse, Février 2024, url, résumé

   Avec la croissance de la demande en énergie électrique et la nécessité de décarboner sa production, l'intérêt porté aux énergies renouvelables, et plus précisément à l'énergie éolienne, est de plus en plus accru. L'éolien offshore admet, quant à lui, maints avantages : le vent est davantage stable et fort en mer, la montée en puissance est plus facile qu'en onshore, etc. Toutefois, l'accès aux parcs en mer est difficile et les interventions sur site et les opérations de maintenance sont onéreuses. En développant des outils de diagnostic précoce de défauts, il est possible d'avoir de meilleures connaissances de l'état de santé des éoliennes et de passer ainsi d'une maintenance corrective et systématique à une maintenance conditionnelle et prédictive, ce qui réduirait ses coûts. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques d'une chaîne de conversion de puissance à génératrice synchrone à aimants permanents polyphasée, présente dans les dernières générations d'éoliennes offshore. Pour ce faire, des indicateurs de défauts, basés sur les mesures déjà disponibles et les degrés de liberté supplémentaires dont disposent certains systèmes polyphasés, sont définis dans un premier temps et calculés en présence de plusieurs types de défauts électriques : augmentation de la résistance d'une phase, court-circuit entre spires, court-circuit phase-phase et court-circuit phase-terre. D'autres composantes sont examinées dans un second temps en vue d'une classification des défauts électriques. Plusieurs points de fonctionnement et sévérités de défauts sont considérés. Ces dernières ont été choisies pour représenter des défauts naissants, ce qui permet d'éviter tout potentiel effet local destructeur et d'analyser la sensibilité des indicateurs développés. Une bonne concordance est montrée entre les simulations réalisées sous MATLAB/Simulink et les essais expérimentaux réalisés sur le 'banc ENR', un banc d'essai installé à EDF R&D Lab Paris-Saclay, d'une puissance de 55 kW et qui représente à une échelle réduite le type de chaînes de conversion de puissance étudié.

2023

1. "Développement d'un outil d'aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct"
   Hamza FAROOQ, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Cette thèse présente le développement d'un outil d'aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct. Ces moteurs à démarrage direct ont un rendement intéressant par rapport une machine asynchrone, et ceci en combinant sur leur rotor des aimants permanents et une cage d'écureuil. La cage offre la capacité de démarrage direct, tandis que les aimants permettent au moteur de se synchroniser et de fonctionner à une vitesse synchrone. L'objectif principal de cette étude est de relever le défi du dimensionnement des aimants et de la cage d'écureuil du rotor, afin d'optimiser les performances de ces moteurs. Les aimants du rotor contribuent à améliorer les performances du moteur à vitesse synchrone, mais ils créent également un couple de freinage pendant la phase de démarrage, ce qui entrave un démarrage en douceur du moteur. La cage du rotor fournit quant à elle le couple d'induction pendant le démarrage et doit être conçue pour pouvoir fournir le couple de charge requis, quelle que soit l'application souhaitée. Un modèle transitoire est nécessaire pour observer cet effet des aimants et de la cage d'écureuil sur les performances du moteur. Pour atteindre cet objectif, un modèle analytique basé sur le circuit électrique équivalent dans les axes "d" et "q" est développé, afin d'analyser les performances de ce moteur. Ce modèle permet d'évaluer les performances dynamiques du moteur, à la fois pendant les régimes de démarrage et en régime permanent. Pour tenir compte de l'influence de la saturation sur les performances du moteur, une approche par des réseaux de réluctances est employée. Des relations analytiques issues des réseaux sont développées pour estimer la force électromotrice, de même que les inductances de magnétisation et de fuite. L'outil analytique développé est utilisé pour effectuer une optimisation multi-objectifs, afin d'améliorer simultanément les performances de démarrage en transitoire et synchrones en régime permanent. Le temps de démarrage du moteur est déterminé à l'aide du modèle pour garantir la capacité de démarrage direct dans le processus d'optimisation. Pour valider la robustesse du modèle analytique, des simulations par la méthode des éléments finis sont effectuées. De plus, une étude expérimentale est menée à l'aide d'un moteur à démarrage direct du commerce. Le modèle analytique montre des tendances similaires au démarrage du moteur par rapport aux résultats expérimentaux. Au final, l'outil développé, couplé à un outil d'optimisation, permet d'obtenir des solutions optimales sous forme de front de Pareto avec un bon compromis entre la précision et la rapidité. Cela permet à l'utilisateur d'obtenir rapidement des tendances de conception, notamment sur le prix et les pertes, tout en s'assurant du démarrage possible du moteur, quelle que soit la charge.

2. "Conception et contrôle de machines synchrones Vernier à aimants permanents à attaque directe pour véhicules électriques"
   Walid GUENDOUZ, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Les véhicules électriques (VE) constituent aujourd’hui l’un des domaines de recherche les plus actifs. Cela comprend différents points allant de la conception des différents composants du véhicule, dont les batteries, jusqu’à la recherche de la gestion énergétique la plus efficace pour optimiser l’autonomie. Ces travaux visent également à accroître la fiabilité des véhicules tout en réduisant les prix. Dans ce vaste contexte, la motorisation électrique est un point clé pour répondre aux exigences d’un VE efficace. L’utilisation d’une machine à attaque directe en monomoteur constituerait une solution intéressante en termes de rendement et de fiabilité en évitant le multiplicateur de vitesse. Dans cette optique et sans augmentation excessive du volume de la machine, nous avons dimensionné et étudié un prototype de machine à réluctance Vernier à aimants à partir d’un cahier des charges bien spécifique. Les performances du prototype dimensionné ont ensuite été validées au travers d’une modélisation numérique par éléments finis en 2D. Ce dernier répond aux spécifications de l’application mais présente un faible facteur de puissance. Différentes autres configurations ont alors été investiguées tout en maintenant constant le volume de matériaux actifs et en gardant un nombre de paires de pôles proche. Deux prototypes ont été sélectionnés pour leur bon facteur de puissance bien qu’ils souffrent d’un taux d’ondulation du couple élevé. Le travail a porté alors sur une optimisation pour réduire ce dernier en ajustant des paramètres géométriques, notamment les ouvertures d’encoches, et en explorant l’utilisation de la configuration Halbach pour les aimants. Afin d’atténuer les ondulations de couple tout en améliorant la puissance massique des matériaux actives de la machine, nous avons adopté une approche proposant une structure à double stator sur la base de celle qui fournit la valeur moyenne de coule la plus élevée. En conservant le stator initial et en ajustant la quantité d’aimants, un second stator interne a été ajouté. Une étude de sensibilité a ensuite été effectuée sur l’angle de décalage entre le stator interne et externe permettant de réduire le couple de détente et les ondulations du couple. Enfin, une optimisation des ouvertures d’encoches des deux stators, ainsi que le taux d’ouverture des aimants de type Halbach a été réalisée. Cela a permis d’aboutir à une structure avec moins d’ondulations tout en maintenant une puissance massique élevée. La dernière partie des travaux a porté sur le développement d’une modélisation analytique de la machine optimisée puis l’application d’une commande vectorielle. Les performances de la structure retenue, avec la commande, ont été alors évaluées dans des conditions de conduite réelles.

3. "Contribution à l'étude et la commande de génératrices synchrones à réluctance en fonctionnement autonome"
   Yamina DJOUADI, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Dans le domaine de la génération de l'énergie éolienne ,outre les unités de production de masse ,l'augmentation de la pénétration de cette énergie au travers d'unités autonomes avec des prix réduits reste encore un domaine nécessitant des travaux .dans ce cadre des actions ont largement menées sur l'étude et la commande de la machine asynchrone (MAS) à cage en fonctionnement générateur autonome mais trés peu l'ont été sur les machines synchrones or ,ces dernières ont des performances proches de celle des MAS tout en évitant des courants rotoriques et dons des échauffement à évacuer. Par ailleurs, les prix de revient de ces machines sont plus faibles que ceux des MAS. Dans ce contexte, l'étude et la comparaison des performances de MSR à celle de MAS revêt un intérêt indéniable. Dans le cas du présent projet de thèse ,la comparaison s'appuiera sur les diffèrent travaux antérieurs déjà menés sur les performances de la MAS en générateur autonome .le travail e doctorat proposé concerne l'étude ,la modélisation et à la commande de génératrice synchrone à réluctance variable en fonctionnement autonome .ce travail sera structuré suivant trois parties: la première partie sera consacrée à une étude bibliographique la plus exhaustive possible .par ailleurs, ne disposent pas de MRS ,le dimensionnement de la génératrice synchrone à réluctance variable répondant à un cahier de charges spécifique devra être effectué en utilisant le mémé stator que celui d'une MAS dont on dispose .cela se basera alors sur le choix et l'optimisation des saillance rotoriques, soit sous leur forme basique soit sous celle de guide de flux .la deuxième partie sera consacrée à la modélisation numérique et analytique et l'identification des différents paramètres du modèle analytique de la génératrice réluctance variable .une attention particulière sera portée au caractère non linéaire de ce dernier dû à l'effet de la saturation qui n'est pas négligeable dans ces machines .sue cette base ,une étude analytique sera menée pour déterminer quelle seraient les valeurs adéquates de condensateurs qui pourraient être mis en parallèle aux bobinages statoriques pour auto amorcer la machine en générateur .le même modèle sera ensuite mis en œuvre pour quantifier les performances de cette solution 'simple 'en fonction de divers paramètres tels la vitesse ,la charge et les valeurs des capacités .la troisième partie concernera l'étude de la génératrice synchrones à réluctance connectée à un redresseur à MLI d'abord en boucle ouverte puis en boucle fermée en testant diverses stratégies tenant compte de la non-linéarité des matériaux magnétiques . L'élaboration des commandes linéaires des systémes en boucle fermée avec comme objectif, en plus de la fonctionnalité visée, une gestion intelligente de la puissance dans le cas de l'application à la production éolienne d'énergie. Enfin comme dernière partie du travail, nous tenterons de nous munir d'un prototype expérimental afin de valider les différentes études tant de dimensionnement, de modélisation t de fonctionnement en boucle ouverte et fermée.

4. "Fabrication additive de matériaux magnétiques doux par voie indirecte"
   Vincent MARTIN, Thèse, Février 2023, url, résumé

   L’utilisation des technologies de fabrication additive s’est fortement démocratisée depuis la fin des années 80 et l’apparition des premières imprimantes 3D. Grâce aux nombreux développements dont elles ont fait l’objet, ces solutions constituent désormais une réponse pertinente aux problématiques des divers secteurs de la recherche scientifique et de l’industrie. En particulier, le génie électrique peut grandement tirer profit des nouvelles opportunités offertes par l’impression 3D. Ces travaux de thèse portent sur la mise en place et l’étude d’un procédé de fabrication additive pour le génie électrique, en particulier pour l’impression de matériaux magnétiques doux utilisés lors de la réalisation de dispositifs électriques de conversion d’énergie. Un procédé indirect inspiré des technologies de moulage métal par injection est développé et deux matériaux classiques du domaine sont considérés en particulier : le fer silicium 3% et le ferrite manganèse zinc. La validation du procédé ainsi que l’étude de son impact sur les performances sont d’abord présentées. Par la suite, le développement d’un feedstock polymère chargé en poudre de ferrite est exploré pour les méthodes d’impression FFF et DLP. Enfin, la mise en place d’un processus d’optimisation topologique basé sur un modèle de réluctances maillées est réalisée. Celui-ci est appliqué au cas d’un composant magnétique passif et suivi de l’impression et de la caractérisation des géométries optimales

2022

1. "Réduction de modèles numériques pour l’évaluation des performances de machines électriques"
   Théo DELAGNES, thèse, Décembre 2022, url, résumé

   Dans le domaine de l’électrotechnique, il est courant d’avoir recourt à des simulations numériques du matériel électrique, afin par exemple de préparer efficacement des essais, ou d’aller même jusqu’à éviter les essais difficiles à réaliser ou dangereux. Dans ce cadre, on utilise souvent, pour les simulations, la méthode des Eléments Finis (EF) car elle permet la prise en compte de géométries et de lois de matériaux complexes, le mouvement d’une pièce par rapport à une autre et le couplage avec un circuit extérieur. Elle se base sur la discrétisation des équations de Maxwell, et permet d’obtenir l’évolution de distributions de champs électriques et magnétiques, ainsi que de grandeurs d’intérêts (flux, courants, pertes Joule, couple, …) nécessaires au diagnostic matériel. Ainsi, cet outil est particulièrement intéressant dans un contexte industriel, de par sa capacité à représenter un véritable prototype virtuel d’un dispositif dont on cherche à évaluer les performances. Cependant, à cause du grand nombre d’inconnues et du comportement non linéaire de matériaux ferromagnétiques (dont l’utilisation est courante au sein des dispositifs électrotechniques), la simulation numérique par la méthode EF de matériel électrique est souvent très couteuse en temps de calcul. On cherche alors à mettre en œuvre des techniques dans le but de réduire le temps de calcul, en appliquant des méthodes de réduction de modèle. Un premier degré de réduction repose sur la définition d’une base réduite, dans laquelle on recherchera une approximation de la solution en projetant le système EF, ce qui permet de réduire grandement le nombre d’inconnues. Parmi les méthodes les plus connues, on peut citer la Proper Orthogonal Decomposition (POD), la Proper Generalized Decomposition (PGD), la méthode d’Arnoldi ou celle des Circuits de Cauer. Le second degré de réduction consiste à accélérer le temps de calcul associé aux phénomènes non linéaires, en évaluant les phénomènes non linéaires sur quelques points de l’espace, à partir desquels on reconstruira l’ensemble des non linéarités dans tout le domaine ferromagnétique. On distingue alors les méthodes de projection oblique Hyper-Reduction (HR) et Missing Point Estimation (MPE) et les méthodes d’interpolation Discrete Empirical Interpolation Method (DEIM), Gappy POD (GPOD) et Gaussian Newton Augmented Tensors (GNAT). Cette thèse CIFRE a été effectuée dans le cadre du LAMEL (laboratoire commun entre le L2EP et EDF R&D), qui possède une expérience importante dans la réduction de problèmes électromagnétiques basse fréquence. L’objectif de ce doctorat est d’identifier les méthodes de réduction les plus adaptées à un problème magnétodynamique non linéaire avec prise en compte du mouvement, dans le but d’intégrer des modèles réduits au sein de procédures de diagnostics d’une machine asynchrone à cage d’écureuil. Les modèles réduits proposés permettent de réduire le cout de calcul, tout en garantissant une bonne précision sur les résultats. Ils sont évalués dans le cadre de scenarii industriels d’évaluation des performances de machines asynchrones. On montre bien que, dans ce cadre, les approches mettant à profit des modèles réduit permettent de réduire fortement les temps de calcul, tout en gardant une bonne précision par rapport aux approches actuelles basées sur des modèles EF.

2. "Contribution à la caractérisation et à la modélisation 3D de l'anisotropie des aciers électriques à grains orientés en vue du calcul des pertes aux extrémités des turbo-alternateurs"
   Leysmir MILLAN MIRABAL, Thèse, Juin 2022, url, résumé

   Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées.

3. "Optimisation multi-physiques de 2 gammes de machines tournantes pour actionneurs tubulaires en intégrant les aspects technico-économiques, les imperfections liées au processus de fabrication et le bruit d'origine magnétique"
   Thierry TOLLANCE, Thèse, Juin 2022, url, résumé

   Cette thèse de doctorat porte sur la conception multi-physiques d’actionneurs tubulaires en intégrant les aspects technico-économiques et le bruit d’origine électromagnétique. L’étude s’inscrit dans un contexte industriel de grande série où les exigences acoustiques pour des produits d’intérieur comme le style screen ou écran de cinéma sont de plus en plus grandes. Dans le cadre de production grande série, un bobinage dentaire a été choisie et une machine de référence dite MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents en surface) a été développée pour répondre à un cahier des charges. Des modèles multi-physiques analytiques permettant la compréhension des tendances mais aussi l’origine des raies de pressions ainsi que des modèles multi-physiques par éléments finis permettant une étude plus quantitative ont été développés, de l’électromagnétisme jusqu’au bruit. Ces modèles ont été confrontés à des mesures expérimentales qui ont permis de valider la chaine de modélisation multi-physiques proposée. La MSAP répond parfaitement au cahier des charges, mais dans un contexte de réduction des coûts, d’autres solutions de moteurs ont été envisagées telles que les machines synchro-réluctantes avec et sans aimant.
   
   Deux types de machines synchro-réluctantes avec et sans aimant ont alors été étudiées avec pour objectif de proposer une structure qui permet de réduire le bruit et conserver des performances suffisantes. Après une étude électromagnétique, il s’est avéré que la machine synchro-réluctante sans aimant ne permettait pas de répondre aux exigences dans le contexte imposé. Une machine assistée d’aimants a ensuite été dimensionnée permettant de répondre au cahier des charges d’un point de vue du couple. Une étude multi-physique a été déroulée et confrontée à des mesures. Le moteur s’avère plus bruyant avec une émergence forte sur une raie d’ordre spatial 2 à 2 kHz.
   
   Pour remédier à cette augmentation de bruit, plus particulièrement la raie à 2 kHz, des techniques de réduction de bruit par des modifications de structure mineure ont été mise en œuvre. Le développement d’un modèle analytique couplé à l’exploitation du produit de convolution nous a permis de remonter aux origines des raies de pression radiale.

2021

1. "Etude de l’impact des procédés de fabrication des machines électriques sur les propriétés des noyaux magnétiques"
   Hugo HELBLING, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   Dans le contexte de l'accroissement de l’efficacité énergétique des machines électriques de fortes puissances, la réduction des pertes fer constitue évidemment un des points clés. Or, il subsiste encore aujourd'hui des écarts entre les pertes estimées lors de la phase de conception et celles mesurées sur les machines réelles. Ces écarts sont, entre autres, liés aux conditions de fabrication du circuit magnétique (découpe, assemblage, imprégnation...) qui peuvent conduire à une modification des propriétés des aciers électriques, notamment par une dégradation des performances magnétiques et une augmentation des pertes fer. Afin d’améliorer les outils de conception, il est alors nécessaire d’analyser et de quantifier les phénomènes et mécanismes physiques qui conduisent à la dégradation des propriétés magnétiques tout en faisant le lien avec les procédés de fabrication. L’objectif de ces travaux de thèse est d’avoir, à terme, une meilleure connaissance de l’évolution des différents postes de pertes fer en lien avec les procédés dégradant les propriétés magnétiques pour une chaîne de fabrication type des machines électriques de fortes puissances. La démarche proposée repose sur la quantification expérimentale des effets de ces procédés sur les performances magnétiques. Pour cela, des maquettes expérimentales dédiées et représentatives de trois procédés industriels identifiés (procédé de compactage, procédé d’imprégnation et procédé de découpe) ont été développées. Dans le cas du procédé d’imprégnation, son effet sera même directement étudié sur les performances magnétiques de stators industriels. Les résultats expérimentaux obtenus sont analysés et discutés en s’appuyant sur les connaissances théoriques de l’état de l’art et sont exploités pour le développement de modèles magnéto-mécaniques et magnéto-thermiques permettant de prendre en compte l’effet desdits procédés sur les propriétés des aciers électriques.

2. "Mise en oeuvre du modèle de Darwin par la méthode des éléments finis en vue de modéliser les machines électriques à des fréquences intermédiaires"
   Houssein TAHA, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   Dans les dernières années, la modélisation des composants magnétiques et électriques suscite beaucoup d’intérêt dans la recherche scientifique. Un modèle magnétodynamique est suffisant pour décrire le comportement des machines électriques dans les basses fréquences, mais, avec l’augmentation des fréquences en électronique de puissance, les machines sont soumises à des tensions hautes fréquences, cela nécessite une modélisation des isolants surtout en raison du vieillissement auquel ils seront exposés. L’objectif de ces travaux est de calculer le champ électrique dans les milieux non conducteurs, en particulier, les effets capacitifs. En effet, vu que les modèles classiques tels que la magnétostatique et la magnéto-quasistatique ne prennent pas en compte la modélisation de ces effets, il est indispensable de mettre en œuvre des formulations en potentiels adaptées dans le code_Carmel pour calculer simultanément les champs électriques et magnétiques, telle que le modèle de Darwin. Ce modèle est capable de capturer les effets capacitifs-inductifs couplés à des fréquences intermédiaires, en particulier, autour de la fréquence de résonance. En revanche, l’électrostatique et l’électro-quasistatique sont parmi les modèles connus qui sont capables à modéliser les effets capacitifs. En outre, un problème de structure mince de Darwin est résolu en utilisant la méthode des éléments coques, appliquée à la fois aux éléments de nœuds et d’arêtes, afin de modéliser des circuits imprimés à des fréquences élevées. Ces éléments sont dérivés de la dégénérescence des éléments prismatiques de Whitney et elles peuvent être appliqués facilement à une formulation pour résoudre une coque mince. Différentes applications industrielles ont été présentées afin de valider les résultats de simulation obtenus par le modèle de Darwin en les comparant aux résultats de mesures.

3. "Modeling of the mechanical cutting effect on local magnetic properties of electric steels and implementation in a finite element computation code"
   Nabil M'ZALI, Thèse, Juin 2021, url, résumé

   Cette thèse porte sur l’impact du processus de poinçonnage mécanique sur les propriétés magnétiques des matériaux qui composent les machines électriques. Le modèle anhystérétique de Sablik qui est basé sur une approche scalaire du couplage magnéto-mécanique a été considéré avec certaines modifications. Le modèle permet de décrire à la fois le couplage magnéto-élastique et magnéto-plastique. Le processus d'identification est réalisé à l'aide de courbes d’aimantations mesurées sous différentes contraintes élastiques et déformations plastiques. Le modèle prenant directement en compte la déformation plastique, une simulation de processus de poinçonnage mécanique a été réalisée à l'aide du logiciel ABAQUS pour définir la distribution de la déformation plastique sur le bord de coupe. Une simulation éléments finis d'une machine électrique synchrone incluant l'effet du poinçonnage a montré la dégradation de l’induction magnétique au niveau des bords de coupe et une augmentation des pertes fer d'environ 38%. Enfin, les résultats obtenus à partir de la simulation magnéto-mécanique ont été étudiés en termes de méthodes utilisées pour considérer la distribution de la déformation plastique dans le calcul numérique. Deux exemples ont été étudiés : une tôle d'acier et une dent d'une machine électrique. Il a été montré que le profil de dégradation défini par la valeur moyenne de la déformation en fonction de la distance au bord de coupe ne reflète pas la distribution réelle de la déformation plastique. Un ajustement de la méthode de calcul a été proposé.

4. "Étude acoustique d’entraînements électriques de faible puissance produits en grande série"
   Emre UYGUN, Thèse, Mai 2021, résumé

   Cette thèse de doctorat porte sur l’étude de l’émission acoustique d’une machine synchrone à aimants permanents de faible puissance, destinée à équiper un actionneur tubulaire pour volet roulant. L’étude s’inscrit dans le contexte industriel de l’électronique grand public, où les exigences acoustiques pour les produits domotiques d’intérieur sont plus accrues. Dans le cadre d’une production en série, certains choix de conception, comme le bobinage dentaire et la commande à 120° de conduction qui permettent un bon compromis technico-économique, ne favorisent cependant pas la discrétion acoustique de ces moteurs. Afin d’étudier le comportement vibratoire et acoustique d’origine magnétique de cette machine, des modèles multiphysiques analytiques et numériques ont été mis en place. Un modèle numérique par éléments finis en considérant la commande a été employé afin d’obtenir le calcul précis des harmoniques d’induction magnétique dans l’entrefer. En couplant ce modèle magnétique à un modèle vibro-acoustique analytique, l’ensemble de la chaîne causale du bruit magnétique a pu être estimé. Corrélé à des mesures expérimentales et à l’aide d’outils de traitement du signal, l’emploi de ces modèles a permis d’analyser l’origine du bruit comme provenant de l’excitation d’une résonance du stator par certains harmoniques spatio-temporels d’effort magnétique. De plus, l’utilisation du produit de convolution sur un modèle analytique de l’induction radiale basé sur le produit de la force magnétomotrice par la perméance d’entrefer avec une forme non-sinusoïdale des courants due à la commande, a permis de déterminer l’origine exacte de ces harmoniques comme étant issus de l’interaction entre les harmoniques d’espace dus au bobinage et les harmoniques temporels du courant introduits par la commande. À la suite de cette analyse, l’influence des paramètres de commande sur les harmoniques à l’origine du bruit a été étudié. L’influence de l’angle de charge sur les harmoniques de pression radiale a été démontré à l’aide de développements analytiques, puis étudié plus précisément avec les modèles établis, avant d’être validé expérimentalement. L’élargissement de la conduction des phases pour réduire les harmoniques de courant à l’origine du bruit a été étudié sur un modèle électrique équivalent, puis validé par des mesures électriques. L’objectif a été de proposer un réglage de ces paramètres permettant l’établissement d’un bon compromis entre la réduction du bruit et le maintien des performances de la machine.

5. "Caractérisation et investigation des effets de la température d’utilisation sur les propriétés électromagnétiques des aciers magnétiques doux"
   Meryeme JAMIL, Thèse, Février 2021, url, résumé

   En fonctionnement, la température au sein d’une machine électrique peut être élevée. En conséquence, les propriétés électromagnétiques de ses composants sont affectées modifiant ainsi les performances de la machine. Cette modification peut être réversible, c’est-à-dire que le matériau retrouve ses propriétés initiales avec la diminution de la température, comme elle peut être irréversible et on parle alors de vieillissement magnétique du matériau. Dans ces travaux, nous nous intéressons aux effets de la température de fonctionnement sur les caractéristiques électromagnétiques du matériau roue polaire (RP) de la machine à griffes. Cette pièce massive possède une géométrie complexe, une composition chimique ainsi qu’un procédé d’élaboration différents de ceux des noyaux magnétiques feuilletés majoritairement utilisés. Afin de s’adapter aux contraintes imposées, nous proposons une méthodologie spécifique de caractérisation des propriétés électromagnétiques à différentes températures, basée sur une miniaturisation du cadre à bande unique (SST). Les résultats de l’étude de l’effet de la température montrent une nette dépendance en température des propriétés électromagnétiques, principalement de la conductivité électrique, ce qui se traduit par une diminution des pertes par courants induits au rotor. Par ailleurs, au cours du temps, le matériau RP sous contrainte thermique, vieillit et ses pertes par hystérésis augmentent. Ce phénomène est dû à la précipitation des carbures. Par suite, un lien entre la cinétique du vieillissement et celle de la précipitation est souligné et une approche de modélisation de la cinétique du vieillissement, en condition isotherme est proposée.

6. "Conception de machines asynchrones triphasées à bobinages statoriques dentaires"
   Jérôme MARAULT, Thèse, Janvier 2021, url, résumé

   Les machines asynchrones (MAS) à cage d’écureuil sont des machines électriques fiables, robustes et à faible coût de fabrication. Pour des raisons historiques et de fiabilité, elles sont principalement dotées de bobinages statoriques distribués. Toutefois, même si ces derniers assurent un fonctionnement très satisfaisant, ils ont des têtes de bobines de longueurs significatives, ce qui engendre des pertes Joule non négligeables. Dernièrement, différents bobinages dentaires avec des têtes de bobines réduites, ont été utilisés dans des machines synchrones avec des performances intéressantes. En plus de réduire les pertes Joule statoriques, ces bobinages permettent de concevoir des machines plus compactes et tolérantes aux défauts. Leur utilisation est moins répandue dans les MAS à cage de par les problèmes induits par les harmoniques spatiaux dans la force magnétomotrice qui en est issue. Les travaux de la thèse ont pour objectif la conciliation de l’utilisation de ces bobinages dans des MAS avec de meilleures performances. Une analyse détaillée est d’abord menée pour appréhender précisément les phénomènes physiques liés à l’utilisation des bobinages dentaires dans les machines asynchrones aussi bien en régime permanent que lors du démarrage. Un modèle analytique paramétrique de machine asynchrone à cage d’écureuil a ensuite été développé. Ce modèle permet de concevoir des bobinages dentaires avec un contenu harmonique spatial maitrisé mais également des rotors avec différents nombres de barres équidistantes ou non. Sur la base de cet outil, des optimisations ont alors été menées tant sur le stator et son bobinage que sur la structure rotorique montrant qu’il est possible d’aboutir à des structures ‘atypiques’ avec des performances satisfaisantes. Enfin, dans une optique de validation, une MAS à bobinage dentaire avec une cage rotorique innovante a été développée et ses performances en termes de couple développé ont été évaluées au travers de simulations numériques et d’essais réalisés sur un prototype.

7. "Méthodes Numériques Appliquées au Calcul des Vibrations d’Origine Electromagnétique : Schémas de Projection des Efforts Magnétiques et Développement de Modèles Réduits"
   Raphaël PILE, Thèse, Janvier 2021, url, résumé

   La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physiques basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V.

2020

1. "Conception systémique d’une machine électrique intégrée à une chaîne de traction hybride par optimisation sur cycles routiers"
   Adham KALOUN, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   La conception des chaînes de traction hybrides est une tâche complexe, qui fait appel à des experts de différents domaines s’appuyant sur des compétences et des outils distincts. En plus de cela, la recherche d’une solution optimale nécessite un retour système. Cela peut être, selon la granularité des modèles de composants, très coûteux en temps de calcul. Ceci est d’autant plus vrai lorsque la performance du système est déterminée par sa commande, comme c’est le cas du véhicule hybride. En fait, différentes possibilités peuvent être sélectionnées pour fournir le couple requis aux roues pendant le cycle de conduite. Ainsi, le principal obstacle est d’atteindre l’optimalité tout en conservant une méthodologie rapide et robuste. Dans ces travaux de thèse, de nouvelles approches visant à exploiter le potentiel complet de l’hybridation sont proposées et comparées. La première stratégie est une approche bi-niveaux composée de deux blocs d’optimisation imbriqués: un processus d’optimisation des paramètres de design externe qui calcule la meilleure valeur de consommation de carburant à chaque itération en se basant sur une version améliorée de la programmation dynamique pour l’optimisation de la commande. Deux stratégies de conception systémique différentes basées sur le schéma itératif sont également proposées. La première approche est basée sur la réduction de modèle tandis que la seconde se repose sur des techniques précises de réduction de cycle. Cette dernière permet l’utilisation de modèles de haute précision sans pénaliser le temps de calcul. Une approche simultanée est ensuite mise en œuvre, qui optimise à la fois les variables de conception et les paramètres d’une nouvelle stratégie efficace à base de règles. Cette dernière permettra une optimisation plus rapide par rapport à l’optimisation directe de toutes les variables de décision. Enfin, une technique basée sur l’utilisation des méta-modèles est explorée.

2. "Conception d’une machine à réluctance variable à flux axial et à tôles à grains orientés"
   Racha AYDOUN, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   La machine à reluctance variable (MRV) présente divers avantages comme la facilité de réalisation liée à l’absence d’aimant et de bobinage au rotor, la robustesse, le couple important à basses vitesses et des fonctionnements à rotations élevées. Ces avantages sont considérés comme un atout pour différentes applications dont la traction automobile. Le travail de recherche effectué dans cette thèse porte sur la conception d’une MRV à flux axial (MRVFA) à circuit magnétique à tôles à grains orientés (GO). L’objectif est de montrer que cette topologie, associée à un matériau magnétique GO, peut aboutir à une machine avec une puissance volumique et un rendement intéressants. L’étude s’articule autour de 4 chapitres. Le premier présente le principe de fonctionnement et les caractéristiques des MRV, plus particulièrement celles des topologies de la machine à flux axial, puis les principales caractéristiques des tôles d’acier GO. Cet état de l’art a conduit à retenir une configuration axiale à deux stators et un rotor central. Le deuxième chapitre propose un dimensionnement électromagnétique basé sur une équivalence des surfaces actives de la MRVFA et d’une structure radiale de référence existante. Sur la base de ce dimensionnement, des modélisations analytiques et numériques par éléments finis ont montré que la machine axiale est plus compacte et présente un couple électromagnétique plus important que la machine radiale. Le troisième chapitre se focalise sur l’intégrabilité de l’acier GO dans la structure retenue. En effet, de par son caractère fortement anisotrope, il requiert une analyse fine pour concevoir son intégration dans la MRVFA à la fois au rotor et au stator. Pour cela, un modèle 2D équivalent a été exploité pour analyser les phénomènes physiques qui se produisent dans la MRVFA et pour évaluer ses performances avec de l’acier GO. Une modélisation 3D de la MRVFA a ensuite été mise en œuvre en intégrant l’anisotropie. En se basant sur les résultats numériques, un prototype de la MRVFA a été dimensionné au quatrième chapitre. Un algorithme génétique a été mis en œuvre pour déterminer les grandeurs géométriques du prototype dont les performances ont, par la suite, été évaluées par modélisation numérique 3D et comparées à des mesures expérimentales réalisées sur un prototype.

3. "Optimization and Reliability Analysis for Electrical Machines modeled by Finite Element Method"
   Reda EL BECHARI, Thèse, Septembre 2020, url, résumé

   This dissertation deals with the approaches for optimization and reliability analysis of electrical machines modelled by the finite element method. The finite element method is the most sophisticated tool to model the electromagnetic phenomenon. However, it is computationally expensive. Thus, its usage for optimization and reliability analysis (iterative processes) should be made with caution since only a limited number of evaluations of the model can be tolerated. Furthermore, the impact of the manufacturing process on the electrical machines is scarcely studied in the literature. The integration of this aspect in the design phase is one of the contributions of this thesis alongside the main contribution, which is the development and comparison of optimization approaches for electrical machines.
   
   We present the approaches adapted to the subject and develop new ones. On the one hand, the finite element model can be seen as a "black-box" for which we develop a non-intrusive approach based on Kriging meta-models. On the other hand, we consider an intrusive approach as we look inside the "black-box," we upgrade the model to provide the derivatives of the quantities of interest. The derivatives are essential to some optimization and reliability analysis tools. They are computed efficiently using the adjoint variable method. Finally, the methods are compared to give insight into the advantages and the shortcomings of each of them.
   
   Lastly, a real case study is considered; it consists of studying the impact of the manufacturing process on a claw-pole machine manufactured by Valeo. From the production line, machines are withdrawn to measure their dimensions and characterize their deviation from the nominal one. Then a statistical analysis is conducted to assess the reliability and impact on the performances.

2019

1. "Application de techniques d'estimation d'erreur pour l'analyse de dispositifs électromagnétiques basse fréquence"
   Lydéric DEBUSSCHÈRE, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   Le contrôle non destructif par courants de Foucault est largement utilisé pour évaluer la santé de pièces faites de matériaux conducteurs. Cette méthode est facile à mettre en oeuvre par contre le lien entre le signal de sortie du capteur de contrôle et le défaut au sein de la pièce n’est pas immédiat. Il est donc nécessaire d’avoir recours à la simulation pour établir une carte qui lie la forme du défaut au signal du capteur. La simulation est souvent basée sur la résolution des équations de la magnétodynamique en régime harmonique par la méthode de éléments finis. Il s’avère alors que le signal du capteur est de l’ordre de grandeur du bruit numérique. L’obtention de bons résultats nécessite alors l’utilisation d’un maillage très fin conduisant à des temps de calcul élevé empêchant une industrialisation de la méthode. Dans la thèse, nous proposons une méthode itérative couplant des estimateurs d’erreur numérique et des techniques d’adaptation de maillage par l’intermédiaire d’une carte de taille. Celle-ci permet d’établir un lien entre l’estimation d’erreur et les caractéristiques géométriques des éléments du maillage. Cette méthode permet d’obtenir automatiquement et en peu d’itérations un maillage adapté au problème traité à partir d’un maillage initial comportant peu d’éléments. Des exemples académiques et industriels ont été traités et montrent que la méthode permet d’obtenir des bons résultats avec des maillages adaptés comportant un nombre d’éléments beaucoup plus faible qu’avec une approche classique.

2. "Développement de solveurs non linéaires robustes pour la méthode des éléments finis appliquée à des problèmes électromagnétiques basses fréquences"
   Riheb CHERIF, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   Résumé
   Les problèmes électromagnétiques non linéaires sont largement rencontrés en électrotechnique, comme les applications de machines électriques. Le calcul des champs magnétiques nécessite la résolution de problèmes non linéaires dus à la saturation des matériaux ferromagnétiques. La méthode des éléments finis (FEM) est la technique la plus utilisée dans le domaine de modélisation grâce à sa grande précision et à sa robustesse pour résoudre des systèmes aux géométries complexes. La discrétisation de ces problèmes conduit à un grand système d'équations non linéaires qui peuvent être résolus par deux processus itératifs importants: la méthode du point fixe qui est plus robuste, mais peut être très lente vu sa vitesse de convergence linéaire et la méthode de Newton qui a été largement préférée pour résoudre les problèmes de champs non linéaires grâce à sa vitesse de convergence quadratique. Cependant, cette convergence reste locale c'est-à-dire que l'estimation initiale doit être proche de la solution. Ainsi, plusieurs techniques de globalisation sont introduites pour atteindre un niveau acceptable de robustesse. De plus, une itération de Newton peut s'avérer très coûteuse. En effet, elle demande à chaque itération l'évaluation de la matrice jacobienne et la résolution du problème linéarisé impliquant cette dernière matrice. Pour diminuer ces coûts de résolution, plusieurs variantes de cette méthode sont introduites comme les méthodes de Newton-inexactes et les méthodes de Quasi-Newton. Cette thèse a pour but d'implémenter des méthodes numériques mieux adaptées au traitement des problèmes électromagnétiques non linéaires. Ces méthodes seront des versions plus robustes et accélérées des solveurs existants comme les méthodes du type Newton.

2018

1. "Modélisation électromagnétique appliquée à la détermination des harmoniques de forces radiale et tangentielle dans les machines électriques en exploitant l’approche des sous domaines"
   Emile DEVILLERS, thèse, Décembre 2018, url, résumé

   La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physique basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V

2. "Contribution à la modélisation de la tension d'arbre d'alternateurs de forte puissance en vue d'une utilisation pour le diagnostic"
   Kévin DARQUES, thèse, Novembre 2018, url, résumé

   Résumé : Le développement de nouveaux outils de diagnostic est primordial pour assurer la maintenance des grands alternateurs. La tension présente entre les deux extrémités de l’arbre est considérée comme une quantité indésirable car elle peut induire des dégradations dans les paliers et, est ainsi mesurée de manière préventive. Néanmoins, son analyse fine pourrait s’avérer utile pour la détection de défauts. Comme la tension d’arbre est présente même en fonctionnement sain de l’alternateur, il est nécessaire de découpler toutes les causes qui peuvent l’engendrer. L’objectif de ce travail consiste donc à mener une investigation sur les multiples sources à l’origine de cette tension d’arbre afin de pouvoir quantifier leurs impacts respectifs, mais également de déterminer la signature d’un défaut de court-circuit entre spires ou d’excentricité rotorique. Une première étude a porté sur l’analyse de machines simplifiées dans le but d’isoler l’impact d’un défaut donné. Deux approches ont été développées, la première à partir d’un modèle analytique et la seconde à l’aide de la modélisation par éléments finis. Les conclusions émises par ces deux approches ont été analysées et comparées montrant des concordances qualitatives intéressantes. Ensuite, deux turboalternateurs de grande puissance (900 MW et 1300 MW) ont été modélisés par une approche numérique en 2D. Une démarche d’investigation systématique a été menée pour caractériser l’influence de plusieurs causes afin de cerner et quantifier leurs impacts sur la tension d’arbre. Enfin, une modélisation tridimensionnelle d’un des 2 alternateurs a permis de montrer l’effet des têtes de bobines et ce, en régime sain comme en défaut.
   
   
   Résumé (anglais) : The development of new diagnostic tools is compulsory for the maintenance of large generators. The voltage which appears between the two ends of the shaft of the machine is an undesirable quantity because it can induce degradations in the bearings and thus, it is measured in a preventive manner. However, its analysis could be useful for the detection of some given defects. Since this voltage is non-nil even in healthy operation, it is necessary to be able to dissociate all the causes which can generate it. The objective of this work is to conduct an investigation on the multiple sources which can induce this shaft voltage in order to quantify their respective impacts, but also to highlight more specifically the signature of an interturn short circuit or rotor eccentricity. A first study was focused on the analysis of simplified machines in order to isolate the impact of the inherent effect of a given defect without interaction with other parameters. Two approaches were then developed, the first from an analytical approach and the second one using a finite element modeling. Conclusions of these approaches have been analyzed and compared thus showing interesting qualitative concordances. Then, two high power turbogenerators (900 MW and 1300 MW) were modeled using a numerical approach in 2D. An enquiry process was conducted to characterize the influence of several causes in order to identify and quantify their impacts on the shaft voltage. Finally, a three-dimensional modeling of one of these alternators showed a significant effect of the rotor and stator end windings on this shaft voltage either in healthy and faulty operating.

3. "Application de méthodes de réduction de modèles aux problèmes d'électromagnétisme basse fréquence"
   Laurent MONTIER, Thèse, Juillet 2018, url, résumé

   Dans le domaine de l'électrotechnique, la simulation numérique qui permet d'obtenir des informations très précises sur la dynamique d'un système sans recourir à l'expérience a un point faible conséquent: le coût de calcul. Celui-ci peut devenir très important en raison d'un très grand nombre d'inconnues et de non-linéarités. Dans l'optique de diminuer ce coût, de nombreuses méthodes de réduction ont été développées et appliquées à d'autres domaines. Une part importante de ces méthodes consiste à rechercher la solution dans une base réduite qui s'affranchit de la dimension spatiale du maillage. D'autres méthodes appliquées aux problèmes non linéaires se concentrent sur une évaluation de la solution en certaines composantes du maillage, puis son interpolation sur le reste du domaine. L'objectif de la thèse consiste à appliquer ces méthodes à des modèles de machines électriques, très peu de publications existant dans ce domaine. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse permettront d'une part d'adapter les méthodes proposées au cas des machines électriques et de les appliquer sur des cas industriels de manière à mieux cerner les situations où celles-ci peuvent avoir un apport.
   
   Model order reduction, Low-frquency electromagnetics, Nonlinear, Electric machine
   
   In the electrical engineering field, the numerical simulation allows to obtain very precise information about the dynamicic of a system, whithout having to experiment. Indeed, testing an industrial eletrical device can sometimes be harmfull for itself, or very expensive to set-up. However, simulating has a price, the computational cost. Indeed, the latter may become very important because of a high number of unknowns, or strong nonlinearities in the system. In order to reduced the computational time, Model Order Reduction methods have been recently developped. A major part of those methods consists in looking for an approximation of the solution in a so-called "Reduced Basis" of small size. A second type of methods can be combined with the first one, in order to deal with the nonlinearities efficiently. The objectif of this PhD is to apply those methods to electrical machines, for which only few articles have been published. More precisely, the goal is to adapt the different methods to the electrical machine case, and then to apply it on industrial exemples.
   
   Keywords : Model-order reduction ; Electrical machines ; Proper Orthogonal Decomposition ; Empirical
   Interpolation Method ; Error Estimation ; Finite Element Method

4. "Impact du vrillage sur les forces électromagnétiques dans l’entrefer : Application aux machines asynchrones"
   Ghislain DESPRET, Thèse, Avril 2018, url, résumé

   La machine asynchrone est à ce jour la référence dans les moteurs de traction
   ferroviaire. De nombreuses contraintes dictées par des normes notamment au niveau du bruit acoustique poussent l’industrie à développer des moteurs plus silencieux. Le vrillage connu pour réduire les ondulations de couple semble apporter également une réelle solution afin de diminuer les vibrations et le bruit émis par la machine. C’est dans ce contexte que ce projet en collaboration avec Alstom-Transport situé à Ornans et le soutien de MEDEE (pôle régional sur la maitrise énergétique) est réalisé. Cette thèse se focalise plus particulièrement sur le calcul des forces électromagnétiques dans l’entrefer à l’origine des vibrations, du bruit et du couple. Des modèles analytiques et à éléments finis estimant les forces électromagnétiques et intégrant le vrillage sont présentés et confrontés à des mesures expérimentales de vibration, de bruit et de couple. Les modèles utilisés sont valables pour les machines asynchrones à cage d’écureuil mais sont facilement adaptables pour les machines synchrones. Ils permettent de comprendre l’origine des forces électromagnétiques responsables du bruit et de trouver des configurations de machines moins bruyantes en jouant sur divers paramètres tels que : le vrillage, mais aussi le nombre de paires de pôles, le nombre d’encoches au stator et au rotor, la forme des encoches, la distribution du bobinage, etc.
   
   Mots-clefs : Machines asynchrones, Force électromagnétique, Bruit électromagnétique,Vibration, Vrillage, Transformations de Fourier
   
   Impact of skewing on magnetic forces in the airgap: Application to induction machines
   
   The induction machine is the reference in railway traction motors. Numerous constraints dictated by standards, particularly regarding acoustic noise, are driving the industry to develop quieter engines. The skewing known to reduce torque ripples seems to also provide a real solution to reduce vibration and noise emitted by the machine. In this context, the project is realized in collaboration with Alstom-Transport located in Ornans with the support of MEDEE (regional pole on energy control). This thesis focuses on the calculation of magnetic forces in the air gap which are at the origin of vibration, noise and torque. Analytical and finite element models, which estimate electromagnetic forces and integrate skewing, are presented and compared with experimental measurements of vibration, noise and torque. The models used are valid for the squirrel-cage induction machines but are easily adaptable for synchronous machines. This allows one to understand the origin of the electromagnetic forces responsible for the noise, and to find configurations of less noisy machines. Various parameters such as skewing can be modified to reach this goal, as well as the number of pole pairs, the stator and rotor teeth number, the slot shape, the winding distribution, and so on.
   
   Keywords: Induction machines, Electromagnetic force, Electromagnetic noise, Vibration, Skewing, Fourier transformations

5. "Contribution à l’identification de l’interaction paramètres procédés – propriétés d’emploi des produits : Application au forgeage et aux propriétés électromagnétiques d’une roue polaire d’alternateur"
   Marc BORSENBERGER, Thèse, Avril 2018, url, résumé

   Confidentielle
   
   La conception de machines électriques tend à intégrer l’impact des procédés de fabrication dans le but d’optimiser la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, en lien avec la maîtrise des propriétés électromagnétiques des composants des machines. Les interactions entre procédés, propriétés électromagnétiques et autres propriétés du matériau ont beaucoup été étudiées dans le cas des tôles compte tenu de leur large utilisation dans le domaine de l’électrotechnique et des moyens de caractérisation magnétique normalisés actuels. Cependant, un alternateur à griffes, utilisé dans l’industrie automobile, comporte des composants massifs au rotor pour la conversion mécanique/électrique. Ces composants, appelés roues polaires, sont obtenus par un processus de fabrication comprenant des opérations de forgeage et dont l’impact sur les performances de la machine est encore mal déterminé. Les nouvelles problématiques que pose ce genre de pièces ont mené, dans le cadre des présents travaux, au développement d’une méthodologie spécifique comprenant : l’identification du lien procédés – produit, le développement d’un banc de caractérisation magnétique d’échantillons représentatifs ainsi que la construction de lois de comportement sur des paramètres matériau pertinents à partir de ces échantillons. Les résultats, en accord avec la littérature, ont montré un impact fort de la déformation plastique et de la taille de grain sur les propriétés magnétiques. Cela se traduit, une fois les propriétés modifiées intégrées dans la simulation des performances d’un alternateur, par une baisse significative du courant débité.
   
   Procédés, Propriétés d'emploi, Forge, Roue polaire, Caractérisation magnétique, Noyau magnétique massif, Procédés de fabrication, Déformations (mécanique), Métallurgie
   
   Contribution to the identification of the interaction between process parameters and functionnal properties of workpieces : application to forging and electromagnetic properties of an alternator claw pole
   
   The design of electrical machines aims to integrate the impact of the manufacturing process in order to optimize the conversion from mechanical to electrical energy, with the consideration of the electromagnetic properties of the machine components. The interactions between processes, electromagnetic properties and other material properties have been well studied in the case of the steel laminations, regarding their wide use in electrical engineering and the current standards of magnetic characterization devices. However, the claw pole alternator used in automotive industry has a rotor with massive components for the mechanical-to-electrical energy conversion. These components, called claw poles, are manufactured with forging operations whose impact on the machine performance is yet not well determined. The new challenges brought by this kind of work pieces led, in the frame of the current study, to the development of a specific methodology involving: identification of the link process – product, designing of a magnetic characterization device specific for representative samples as well as the establishment of behavior laws regarding relevant material parameters. The results, in accordance with the literature, have shown a strong influence of plastic strain and grain size on magnetic properties. Once these modified properties integrated in the electromagnetic model of the claw pole alternator, a significant decreased of the output current is eventually observed.
   
   Processes, Functional properties, Forging, Claw pole, Magnetic characterization, Massive magnetic core

6. "Optimisation robuste pour des dispositifs électromagnétiques"
   Siyang DENG, Thèse, Janvier 2018, url, résumé

   Méthodes de conception par optimisation robuste et fiable de dispositifs
   électrotechniques
   
   Résumé: Cette thèse porte sur les méthodes d'optimisation robuste et fiable. Les
   différentes catégories de méthodes d'optimisation stochastique pour traiter les incertitudes
   sur les dimensions et les matériaux sont présentées. Ces méthodes visent à trouver une
   solution plus robuste et/ou fiable en minimisant la variance de l'objectif et/ou en réduisant la
   probabilité de violer les contraintes de faisabilité. Cependant, ces méthodes augmentent le
   nombre d'évaluations par rapport à une optimisation déterministe et nécessitent le gradient
   qui peut être bruité pour des modèles éléments finis. Ainsi, des stratégies basées sur des
   méta-modèles de kriging sont proposées pour approcher des fonctions complexes et donner
   des dérivées sans bruit. Des critères d’enrichissement sont utilisés pour affiner la précision
   tout en cherchant l’optimum. Différentes stratégies comprenant le choix du critère et le
   positionnement de l'enrichissement sont comparées pour mettre en évidence les plus
   efficaces. Enfin, les stratégies d’optimisation développées dans cette thèse sont appliquées à
   l’optimisation d'un transformateur modélisé par des équations analytiques puis par la
   méthode des éléments finis.
   
   Mots-clefs: optimisation, conception, incertitude, robustesse, fiabilité, méta-modèle,
   transformateur, modèle d’éléments finis
   
   Methods for Robust and Reliability-based Design Optimization of Electromagnetic Devices
   
   Abstract: This PhD thesis deals with the robust and reliability-based optimization problems
   under uncertainty on dimensions and material properties. First, the different categories of
   stochastic optimization methods to treat the uncertainty are presented. These methods aim
   to find a more robust and/or reliable solution by minimizing the variance of objective and/or
   reducing the probability to violate the constraints of feasibility. However, as these methods
   increase the number of evaluations compared to deterministic optimization and need the
   gradient information that may be noisy when provided by finite element models, they are not
   suitable for the time-consuming models. So kriging-based meta-model strategies are
   proposed as they can approximate complex functions and give noise-free derivatives. Infill
   sampling criteria are used to increase their precision while searching for the optimal solution.
   Different strategies including the choice of the criterion and the positioning of sample
   enrichment are compared to highlight the most effective ones. Then, the optimization
   approaches developed within this research work are applied to the optimization problem of a
   transformer modelled with analytic equations and finite element models.
   
   Keywords: design optimization, uncertainty,electromagnetic device, finite element model

2017

1. "Modélisation numérique par la méthode des éléments finis des systèmes électrotechniques : recherche du régime permanent"
   Guillaume CARON, Université de Lille, Décembre 2017, url, résumé

   Dans le domaine du Génie Électrique, la méthode des éléments finis (MEF) associée à une approche pas à pas dans le temps est la plus simple, la plus précise et la plus robuste des méthodes pour modéliser les champs magnétiques dans des dispositifs électromagnétiques en basse fréquence. Néanmoins, cette méthode peut conduire à des temps de calcul extrêmement importants lorsque la constante de temps du système étudié est relativement petite en comparaison de la durée du régime transitoire. C'est dans ce contexte que s'inscrit ces travaux de thèse intitulés « Modélisation numérique par la méthode des éléments finis des systèmes électrotechniques: recherche du régime permanent ». Dans ce manuscrit, une méthode numérique nommée Waveform Relaxation-Newton Method (WR-NM) a été développée. Celle-ci est basée sur la Waveform Relaxation Method (WRM) à laquelle des conditions de périodicité sont appliquées afin d'imposer le régime permanent directement pour des problèmes électromagnétiques couplés à des équations de circuit. La convergence de cette méthode étant similaire à celle d'une méthode point-fixe, elle a été combinée à la méthode de Newton-Raphson dont la convergence est quadratique. Afin de valider et de tester la robustesse de la WR-NM, plusieurs applications sont présentées dans le manuscrit. Des gains importants en temps de calcul sont signifiés en comparaison à l'approche classique et ce pour une précision de la solution identique. Un dernier exemple concernant la modélisation d'une machine à griffes couplés à un pont redresseur montre que la WR-NM peut également être employé dans un cadre industriel.
   
   Recherche du régime permanent, Conditions de périodicité, Couplage circuit, Éléments finis, Méthode des
   Maxwell, Équations de -- Solutions numériques, Électromagnétisme, Alternateurs, Modélisation tridimensionnelle
   
   Numerical modeling by finite element method for electrotechnical systems : steady state investigation
   
   In electrical engineering, the Finite Element Method (FEM) associated to the time stepping numerical scheme is the most used approach today. This method is simple, accurate and efficient to modeling magnetic fields in low frequency electromagnetic devices. Nevertheless according to the studied cases, the time constant of the device can lead to prohibitive computation time to obtain the steady state. It is in this context that this PhD thesis is written "Numerical modeling by finite element method for electrotechnical systems: steady state investigation". The Waveform Relaxation-Newton Method (WR-NM) was developed, this method is based on the waveform relaxation method (WRM) in which periodicity conditions are applied to impose the steady state for electromagnetic problems coupled to circuit equations. The convergence of this method is similar to a fixed-point method, thus the method is combined to the method of Newton-Raphson whose convergence is quadratic. In order to validate and test the robustness of WR-NM, several applications are presented in the manuscript. Significant gains in computation time are shown in comparison with the conventional approach and for the same precision of the solution. A final example on the modeling of a claw-pole machine coupled to a bridge rectifier shows that the WR-NM can also be employed in an industrial setting.

2. "Optimisation topologique de dispositifs électromagnétiques"
   Bilquis MOHAMODHOSEN, Centrale Lille, Décembre 2017, url, résumé

   L’Optimisation Topologique (OT) est un sujet en plein essor qui suscite l’intérêt de nombreux chercheurs depuis ces deux dernières décennies dans le domaine de l’électromagnétisme. L’OT représente une méthode très attrayante et originale car elle permet de trouver des structures innovantes sans aucun a priori. Ce travail de thèse est orienté vers l’OT des dispositifs électromagnétiques en approfondissant plusieurs aspects du sujet. Tout d’abord, un outil d’OT est développé et testé, à partir des outils existant au L2EP. En effet, l’OT requiert un outil d’éléments finis et un outil d’optimisation devant être couplés. Une méthodologie originale d’OT fondée sur les principes de la Méthode de Densité est développée et testée. Un cas test académique est utilisé afin de tester et valider le couplage des outils et la méthodologie. Une approche visant à prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux ferromagnétiques avec nos outils OT est également mise en place. Ensuite, la méthode est appliquée afin d’optimiser un électroaimant en 3 dimensions, représentant un cas test proche de la réalité. Ce cas test permet de comparer les résultats avec un comportement linéaire et non-linéaire des matériaux. Diverses topologies sont présentées, par rapport aux différentes formulations du problème. Par la suite, la méthodologie est appliquée à un dispositif électromagnétique plus complexe : une Génératrice Synchrone à Pôles Saillants. Cet exemple nous permet de voir comment la définition du problème d’optimisation peut grandement affecter les résultats d’OT. Quelques topologies sont présentées, et leur faisabilité est analysée
   
   Cas test cubique Electroaimant 3D Electromagnétisme Facteur de faisabilité Génératrice synchrone à pôles saillants Machines électriques Méthode de densité Méthode éléments finis Optimisation Topologique Optimisation mathématique Électroaimants Électromagnétisme Méthode des éléments finis
   
   Topology Optimisation (TO) is a fast growing topic that has been sparking the interest of
   many researchers for the past two decades in the electromagnetic community. Its
   attractiveness lies in the originality of finding innovative structures without any layout a
   priori. This thesis work is oriented towards the TO of electromagnetic devices by elaborating
   on various aspects of the subject. First of all, a tool for TO is developed and tested, based on
   the ‘home-made’ tools available at the L2EP. As TO requires a FE and an optimisation tool
   working together, a coupling is done using both. Furthermore, a TO methodology is
   developed and tested, based on the Density Method. An academic cubic test case is used to
   carry out all the tests, and validate the tools and methodology. An approach is also developed
   to consider the nonlinear behaviour of the ferromagnetic materials with our TO tools.
   Afterwards, the methodology is applied to a 3D electromagnet, which represents a more real
   test case. This test case also serves to compare the results with linear and nonlinear behaviour
   of the materials used. Various topologies are presented, for different problem formulations.
   Subsequently, the methodology is applied to a more complex electromagnetic device: a
   Salient Pole Synchronous Generator. This example allows us to see how the problem
   definition can largely affect TO results. Some topologies are presented and their viability is
   discussed.

3. "Contribution à la conception par démarches directe et inverse de machines synchrones à aimants permanents et bobinage dentaire"
   Patricio LA DELFA, Ecole Centrale Lille, Décembre 2017, url, résumé

   Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils «analytiques prédictifs» donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques.

4. "Impact du procédé de fabrication des stators slinky sur les propriétés des matériaux"
   Mohamad EL YOUSSEF, Art et Métiers ParisTech, Décembre 2017, url, résumé

   IMPACT DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DES STATORS SLINKY
   SUR LES PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX
   
   RÉSUMÉ : La machine synchrone à griffes est un dispositif très utilisé comme
   alternateur dans l’automobile. La fabrication de cette machine, produite en masse, met
   en œuvre des procédés impactant les caractéristiques des matériaux ferromagnétiques et
   donc, in fine, les performances de l’alternateur. Ce travail de thèse est donc consacré à
   étudier l’impact du processus de fabrication d’un stator Slinky (basé sur un enroulement
   d’une bande de tôle plutôt qu’un empilement) sur les propriétés magnétiques. Pour ce
   faire, une première partie du travail consiste à quantifier l’impact de chaque procédé mis
   en œuvre. Le but est de séparer les procédés les plus fortement impactant. Une
   campagne de caractérisation magnétique, sur des échantillons prélevés avant et après
   chaque procédé, a été réalisée.
   Les résultats montrent que le procédé d’enroulement est l’étape la plus destructive à
   cause des déformations et des contraintes engendrées dans le plan de la tôle à la fois en
   traction et en compression. L’optimisation de ce procédé nécessite donc d’établir le lien
   entre les propriétés mécaniques et magnétiques. Nous proposons une nouvelle méthode
   de caractérisation magnéto-mécanique. Elle permet de réaliser une caractérisation
   magnétique sous chargement uni axial en traction et en compression. Enfin, nous
   présentons des résultats montrant l’évolution du comportement magnétique, d’un
   matériau FeSi NO, en fonction de la déformation et de la contrainte appliquée.
   
   Mots clés : Matériau Magnétique Doux, Caractérisation, Procédés de Fabrications, Machines
   Électriques.
   
   IMPACT OF MANUFACTURING PROCESS OF SLINKY STATORS ON THE
   PROPERTIES OF MATERIAL
   
   ABSTRACT: The synchronous claw pole machine represents a widely used device, as an
   alternator, in the automobile industry. The production of this machine implements a line
   of several processes which impact the characteristics of ferromagnetic materials and,
   ultimately, the performance of the alternator. Therefore, this work is devoted to
   studying the impact of the manufacturing processes of a Slinky stator (based on a rolled
   sheet metal strip rather than stacked sheets) on the magnetic properties. To reach our
   goal, a first task consists in quantifying the impact of each manufacturing process. The
   aim is to separate the most detrimental processes. Thus, a magnetic measurement
   campaign was carried out on samples withdrawn before and after each process.
   The results show that the rolling step represents the most detrimental process due to the
   generated stresses and strains in the plane of the sheet in both modes (tension and
   compression). Therefore, the optimization of this process requires setting up the link
   between the mechanical and magnetic properties. Hence, we propose a new method of
   magneto-mechanical characterization. It enables to carry out magnetic measurements
   under uniaxial loading (tension and compression). Finally, we present results showing
   the evolution of the magnetic behavior of a FeSi NO material depending on the applied
   stress and strain.
   
   Keywords : Soft Magnetic Material, Characterization, Manufacturing process, Electrical
   machines.

5. "Contribution à la modélisation de courts-circuits entre tôles magnétiques"
   Smail ZIANI, Université de Lille, Octobre 2017, url, résumé

   La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs.
   
   Empilements de tôles ferromagnétiques, Couplage magnéto-Thermique, Éléments finis, Méthode des, Méthodes d'homogénéisation numérique, Théorie spectrale (mathématiques), Courts-circuits, Isolation électrique
   
   Contribution to modeling short circuits in lamination stacks
   
   The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction.

6. "Efficacité énergétique des machines de production d’électricité"
   Maxime PLOYARD, Centrale Lille, Juin 2017, url, résumé

   Efficacité Energétique des Machines de Production d’électricité
   
   Résumé
   Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent
   généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des
   structures de générateurs de forte puissance. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est
   porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des
   pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de
   calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de forte puissance.
   Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double
   Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il
   est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes.
   Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de
   concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux
   prototypes de forte puissance, dont un pour une application éolienne à attaque directe.
   Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les
   structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations
   permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment
   sur des données statistiques de fonctionnement éolien.
   
   Mots clefs: Générateur Synchrone, Double Excitation, Modélisation Électromagnétique, Pertes fer,
   Optimisation, Topologies de générateurs, Eolienne à Attaque Directe.
   
   Energy Efficiency of Large Electric Power Generators
   
   Abstract
   During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary
   criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator
   structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives.
   Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus,
   a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.
   In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a
   great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact
   of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped
   models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high
   power generators, including one for a direct drive wind turbine.
   Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are
   compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains
   compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density
   function.
   
   Keywords: Synchronous Generator, Hybrid Excitation, Electromagnetic Modeling, Iron Losses,
   Optimization, Generator Topologies, Direct Drive Wind Turbine.

7. "Modélisation magnéto-thermique et optimisation topologique multi-objectif de busbars laminés"
   Oriol PUIGDELLIVOL, Université de Lille, Mai 2017, résumé

   confidentielle
   
   Résumé : L’électronique de puissance nécessite des interconnexions à faible inductance et des températures de fonctionnement en dessous de certaines valeurs critiques. Les busbars laminés présentent une inductance très faible en comparaison avec les câbles. De plus, leur forme aplatie permet d’augmenter la surface d’échange avec l’environnent garantissant des bonnes performances thermiques. Dans cette thèse nous proposons une comparaison entre différentes méthodes de calcul d’inductance. Le but est d’en privilégier une en fonction de la complexité du problème à résoudre. La valeur d’inductance à calculer correspond à la boucle de commutation ayant lieu dans les convertisseurs de puissance. Des règles de conception permettant de minimiser la valeur de cette boucle sont aussi présentées. Concernant le calcul thermique, on propose une approche basée sur les éléments finis 2D. La superposition de plusieurs plaques bidimensionnelles permet de modéliser des busbars laminés de façon précise et plus rapide qu’une étude tridimensionnelle. Les conditions aux limites sont appliquées en fonction de la superposition des plaques. Grâce à la rapidité de cette approche, des optimisations topologiques peuvent être appliquées. Des algorithmes d’optimisation adaptés aux besoins industriels ont été développés pour la minimisation de l’inductance et de la température maximale des busbars. Ces algorithmes présentent de bonnes performances et sont utilisés lors des optimisations mono et multi-objectif.
   
   Magneto-thermal modelling and multiobjective topology optimisation of laminated busbars
   
   Résumé (anglais) : Power electronics needs low inductance interconnections and operating temperatures below certain limits. Laminated busbars present low inductance compared with cables. Moreover, their flat geometry increases the heat exchange surface with the environment ensuring good thermal performances. In this PhD thesis we propose a comparison between different inductance calculation methods. The objective is to favor one according to the complexity of the problem to be solved. The inductance value is calculated during the switching loop taking place in the power converters. Several design rules are presented in order to minimize the inductance of the loop. Regarding the thermal management, we present an approach based on the 2D finite element method. The overlapping of the two-dimensional plates allows us to model the whole laminated busbar and faster way than a tridimensional study without losing precision. The boundary conditions are applied according to the overlapping between layers. Thanks to this approach, topology optimization techniques can be applied. Algorithms adapted to the industrial needs have been developed for the minimization of the inductance and the maximum temperature in busbars. These algorithms show good performances and are used in mono and multi-objective optimizations.

2016

1. "Contributions à l’étude des machines à reluctance variable pour application alterno-démarreur automobile"
   Valentin ZAHARIA, Université technique de Cluj-Napoca/EC Lille, Décembre 2016, url, résumé

   Résumé :
   Ce travail de recherche est réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université Technique de Cluj-Napoca en Roumanie et Centrale Lille en France. Cette thèse a comme premier objectif, de réduire l’ondulation de couple d’une machine triphasée 6/8 à réluctance variable grâce aux paramètres de contrôle dans le mode de fonctionnement moteur et générateur. Par conséquent, un modèle analytique a été développé et mis en œuvre dans un environnement de calcul numérique. Un outil d'optimisation permettant de trouver les meilleurs paramètres de contrôle a été utilisé. Toutefois, le processus d’optimisation est très lent.En conséquence, une stratégie pour réduire le temps du processus d'optimisation sans abaisser la précision des résultats est proposée. Une stratégie de ‘mapping’ est utilisée entre un modèle grossier mais rapide et un modèle fin mais lent. Un travail est mené sur le choix du modèle grossier, dans le cadre d’un modèle fournissant des valeurs en fonction du temps. Deux stratégies de ‘mapping’ ont été utilisées dans cette thèse : l’‘Output Space Mapping Proportional’(OSMP) et le Manifold Mapping (MM). Ces deux stratégies sont utilisées pour déterminer les paramètres de contrôle optimaux. Le problème d’optimisation est ensuite complété en ajoutant des variables géométriques au processus d’optimisation du contrôle. Les outils développés sont ensuite utilisés dans le cadre du dimensionnement par optimisation d’un alterno-démarreur automobile. Finalement, des expériences et des essais sur un prototype de Machine à RV sont menés afin de valider les résultats du processus d'optimisation en mode moteur et générateur.
   
   Mots clés : conception et contrôle par optimisation, éléments finis, manifold mapping, output space mapping proportional, moteur/générateur à réluctance variable
   
   Contributions to the study of Switched reluctance machine for automotive integrated starter-alternator application
   
   Abstract:
   The switched reluctance machine has a simple construction making it cheaper in execution but one of the drawbacks of this machine is the torque ripple. This thesis had as first target, the usage of an optimization tool to calculate the best control parameters to correct this major drawback in motor and generator operation modes. Hence, an analytical model that takes into account the machine geometry and that is able to be simulated in both operation modes by adjusting the commutation angles was provided and implemented in a calculation environment. The second target of this work is to investigate a method to reduce the optimization time without lowering the accuracy of the results. The strategy used in the optimization process is known in literature as the space mapping technique, more precisely for this thesis output space mapping proportional and manifold mapping were studied. After testing them on a mathematical model it was possible to continue the investigation on defining the optimal control parameters of a three-phases 6/8 SR machine prototype, being able that further to use this strategy in a much complicated process, i.e. defining the right geometry and control of a SR machine to be used in automotive integrated starter alternator systems. The final target of the thesis was to conduct experiments and tests on the existing prototype in order to partially validate the results of the optimization process.
   
   Keywords: design and control optimization, finite element, manifold mapping, output space mapping proportional, switched reluctance motor/generator.

2. "Optimisation du dimensionnement et de la commande sur cycle de fonctionnement d’un générateur à aimants permanents et auto-commutation pour applications micro-éoliennes"
   Andreea ZAHARIA, Université technique de Cluj-Napoca/EC Lille, Décembre 2016, url, résumé

   Optimisation du dimensionnement et de la commande sur cycle de fonctionnement d’un
   générateur à aimants permanents et auto-commutation pour applications micro-éoliennes
   
   Résumé
   La conception d'un microsystème autonome de conversion de l'énergie éolienne représente le cœur de
   cette étude. L'attention est portée vers le générateur BLDCPM en étoile à trois phases, ayant un rotor extérieur
   avec des aimants permanents montés en surface et des enroulements concentrés avec des forces électromotrices
   trapézoïdales. Une connexion directe entre la turbine à axe horizontal et la machine tournant à vitesse variable
   est considérée puisque l'application visée est résidentielle et nécessite un fonctionnement à faible vitesse. Le
   convertisseur électronique de puissance à courant alternatif (redresseur) et à pont complet triphasé du côté
   générateur est considéré pour contrôler la tension constante du bus continu de sortie. En raison de la vitesse
   variable du vent, de nombreuses fluctuations se produisent dans la puissance et la fréquence du générateur
   BLDCPM, ce qui oblige sa conception pour un fonctionnement à une large plage de vitesse. Ainsi, le travail de
   la thèse vise à déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur
   BLDCPM, en assurant des pertes de puissance minimales dans le μWECS. Un fonctionnement sur un cycle long
   terme d’une année avec une vitesse moyenne du vent mesurée toutes les heures est considéré pour maximiser la
   puissance éolienne extraite et augmenter l'efficacité du système dans son ensemble. Par conséquent, il est
   nécessaire de déterminer le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des
   composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, le
   nombre d'évaluations du modèle peut être assez important. Plus les variables de conception et les contraintes
   sont nombreuses, plus élevé est le nombre d'évaluations. En conséquence, la réduction du temps de simulation,
   ainsi que l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent pour déterminer la
   totalité des pertes de puissance dans le μWECS considérées sont les principales préoccupations. Ensuite, la
   méthodologie d'optimisation est présentée, ainsi que les résultats optimaux obtenus et la comparaison de
   plusieurs paramètres d'entrée et de sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un
   prototype de machine BLDCPM de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle
   électronique.
   
   Mots clefs : générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, méthode de barycentre,
   modélisation, multi-physique, optimisation de conception, microsystème autonome de conversion de l'énergie
   éolienne, cycle long terme du vent
   
   Brushless DC permanent magnet micro-wind generator modeling and optimization over
   long-term wind-speed cycle operation
   
   Abstract
   The design of a stand-alone micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The
   attention is derived towards the three-phase star-connected BLDCPM generator, having outer rotor with Nd-Fe-
   B surface-mounted PMs, and concentrated stator-armature windings with quasi-trapezoidal stator-phase back-
   EMF voltages. A direct connection to the variable speed horizontal axis wind turbine is considered as the
   residential use application for which is desired requires low-speed operation. Generator-side three-phase full-
   bridge AC/DC power electronic converter (rectifier) is considered for controlling the output DC-bus constant
   voltage. Due to the variable wind speed, many fluctuations occur in the power and frequency of the BLDCPM
   generator, compelling its design for large speed-range operation. Hence, the thesis work aims at determining the
   optimal design parameters of the BLDCPM generator ensuring minimum power losses of μWECS over long-
   term wind-speed cycle operation, and thereby maximizing the extracted wind power and increasing the
   efficiency of the overall system. Therefore, it is necessary to determine the modeling level, as well as the design
   variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process,
   the number of model evaluations can be fairly important. The more design variables and constraints, the higher
   the model evaluation count. As a result, reduction of the simulation time, as well as integration and exploitation
   of the available data from the wind-speed profile for determining the total power losses of considered μWECS
   are of main concern. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results
   obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried
   out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control
   technique.
   
   Keywords: barycenter method, brushless DC permanent magnet generator, design optimization, modeling,
   multi-physics, stand-alone micro-wind energy conversion system, long-term wind speed cycle.
   
   Modelarea și optimizarea micro-generatorului cu magneți permanenți și auto-comutație
   electronică cu operare sub un profil al vântului de lungă durată
   
   Rezumat :
   Designul unui micro-sistem autonom de conversie a energiei provenită de la o micro-turbină eoliană
   reprezintă nucleul acestui studiu. Atenția este îndreptată asupra generatorului trifazic cu configurație de rotor
   exterior cu magneți permanenți montați pe suprafața acestuia și cu înfășurări concentrate pe stator. O legătură
   directă între turbina cu ax orizontal și generatorul de viteză variabilă este considerată, deoarece aplicația avută
   în vedere este rezidențială și necesită funcționare la viteză mică. Convertorul electronic de curent alternativ
   (redresor) cu trei faze asociat generatorului este considerat pentru a menține tensiunea de ieșire pe bus cc la o
   valoare constantă. Din cauza vitezei variabile a vântului, multe fluctuații apar în puterea și frecvența
   generatorului, forțând designul acestuia la o funcționare într-o gamă largă de viteză. Astfel, activitatea tezei este
   de a determina parametri geometrici și electrici optimi ai generatorului, asigurând pierderi minime de putere în
   micro-sistemul de conversie al energiei considerat. O operațiune pe un ciclu de vânt cu durata unui an, cu o
   viteză medie a vântului, măsurată la fiecare oră este considerat pentru a maximiza puterea extrasă din vânt și de
   a crește eficiența globală a micro-sistemului. Prin urmare, este necesar să se determine nivelul de modelare,
   precum și variabilele de proiectare pentru fiecare dintre componentele sistemului. Datorită faptului că
   optimizarea apelează la un algoritm pentru procesul de proiectare, numărul de evaluări ale modelului poate fi
   destul de important. Cu cât există mai multe variabile de proiectare și constrângeri, cu atât numărul de evaluări
   este mai mare. În consecință, reducerea timpului de simulare, precum și integrarea și exploatarea datelor
   provenite de la profilul de viteză al vântului pentru a determinarea pierderile totale de energie din micro-sistem,
   sunt principalele preocupări. În următoarea etapă este prezentată metodologia de optimizare, precum și
   rezultatele optime obținute și compararea mai multor parametri de intrare și de ieșire. În final, teste experimentale
   sunt, de asemenea, efectuate pe un prototip de mașină cu magneți permanenți și auto-comutație electronică de
   referință pentru a verifica tehnica de comutare și de control electronic.
   
   Cuvinte cheie : generator cu magneți permanenți și auto-comutație electronică, metoda baricentrului,
   proiectare prin optimizare, micro-sistem autonom de conversie al energiei, ciclu de vânt de lungă durată

3. "Estimateurs d’erreur a posteriori pour les équations de Maxwell en formulation temporelle et potentielle"
   Roberta TITTARELLI, Université Lille 1, Septembre 2016, url, résumé

   Résumé : Cette thèse porte sur le développement d’estimateurs d'erreur a posteriori pour la résolution numérique par éléments finis de problèmes en électromagnétisme basse fréquence. On s’intéresse aux formulations en potentiels (A-φ et T-Ω) des équations de Maxwell en régime quasi-stationnaire, pour le cas harmonique ou temporel. L'enjeu consiste à développer des outils numériques mathématiquement robustes, exploitables dans un code de calcul industriel, notamment le Code_Carmel3D (EDF R&D), permettant d'estimer l'erreur de discrétisation spatio-temporelle et de pouvoir ainsi améliorer la précision des calculs. On prouve la fiabilité, assurant le contrôle de l’erreur. On prouve également dans certains cas l’efficacité locale, permettant de repérer les zones du maillage dans lesquelles l’erreur est la plus importante, et de mettre ainsi en œuvre des stratégies de raffinement adaptatif. L'équivalence globale entre l'erreur en norme énergétique et l'estimateur est en général assurée. Les estimateurs obtenus sont finalement utilisés pour des simulations physiques/industrielles par le Code_Carmel3D.
   
   Estimateurs a posteriori, Formulation en potentiels, Estimateurs d’erreur équilibrés, Estimateurs d’erreur résiduels
   Éléments finis, Méthode des, Maxwell, Équation de -- Solutions numériques, Électromagnétisme, Calcul d'erreur
   
   Résumé (anglais) : This thesis focus on the developement of a posteriori error estimators for the finite element numerical resolution of low frequency electromagnetic problems. We are interested in two potential formulations of the Maxwell's equations in the quasi-static approximation, known as A-φ et T-Ω formulations, for both harmonic and temporal regimes. The challenge consists in developing numerical tools mathematically robust, usable in an industrial code allowing the estimation of the spatio-temporal error discretisation and the improvement of the quality and the cost of the computation. We prove the reliability of the proposed error estimators, which ensures an upper bound for the error in the energy norm. In some cases we also prove the local efficicency of the estimators, which allows to detect the zones where the error is the highest, so that an adaptive remeshing process can be set up. Anyway, the global equivalence between the energy error norm and the estimator is derived. The developed error estimators are finally used for physical and industrial numerical simulations in Code_Carmel3D (EDF R&D).

4. "Caractérisation des propriétés électromagnétiques des matériaux magnétiquement doux – Application aux roues polaires de machine à griffes"
   Laure ARBENZ, Arts et Métiers, Mars 2016, url, résumé

   La construction électrique reposant en grande partie sur l’utilisation des propriétés électromagnétiques du fer et de ses alliages, les concepteurs ont besoin d’une connaissance précise de ces propriétés. Les caractéristiques des matériaux magnétiques doux, typiquement celles de l’acier des roues polaires d'une machine à griffes, peuvent être notablement impactées par les procédés de fabrication. Celles-ci doivent alors être caractérisées directement sur la pièce finale. Dans ce travail, on propose une méthode de mesure non destructive combinant une démarche opératoire et la simulation par éléments finis afin de caractériser la conductivité électrique locale des roues polaires. Afin d’adapter les paramètres expérimentaux à la géométrie de la pièce considérée, et à l’aide d’un diagramme 5M (ou diagramme d'Ishikawa), une démarche d’optimisation de la méthode est entreprise. Puis l’incertitude de mesure est déterminée à l’aide de deux démarches différentes. Cette méthode est ensuite exploitée pour mener une étude sur une population de roues polaires extraites de la chaîne de production. Dans un second temps, la méthode est étendue pour la mesure de perméabilité incrémentale. Des essais sur tôles épaisses ont permis de valider l’approche proposée à l'aide du même type de capteur. Par ailleurs, une étude complémentaire par éléments finis 3D a permis de mettre en évidence les limites de l'approche analytique, notamment lorsque la perméabilité de la plaque et son épaisseur deviennent trop importantes. Finalement, cette méthode est appliquée au cas des roues polaire, dans le cadre d’une approche qualitative, en vue d’une application de type contrôle qualité.
   
   Matériau magnétique doux, Caractérisation, Éléments finis, Incertitude de mesure, Machine électriques, Matériaux magnétiques, Machines électriques , Méthode des Éléments finis
   
   Characterization of the electromagnetic properties of soft magnetic materials : application to a claw pole rotor
   
   Electrical energy conversion devices are based on the use of electromagnetic properties of iron and its alloys. Therefore, an accurate knowledge of these properties is required for the designers. The characteristics of the soft magnetic materials, typically those of a claw pole rotor, can be significantly impacted by the manufacturing processes. Consequently, these properties must be characterized directly on the manufactured magnetic piece. In this work, a non-destructive measurement method combining an operative approach and the finite element simulation is proposed to characterize the local electrical conductivity of the claw pole rotor. The choice of the experimental parameters associated to the claw pole rotor geometry is optimized using the Ishikawa diagram. Then, the measurement uncertainty is determined using two different approaches. This method is applied to perform a study on a population of claw pole rotors issued from the manufacturing chain. Secondly, the method is extended to incremental permeability measurement. Tests on thick sheets were realized to validate the proposed approach with the same type of sensor. Moreover, a complementary study in 3D finite element has emphasized the limitations of the analytical approach, especially when the permeability of the plate and its thickness become significant. Finally, this method is applied to the case of claw pole rotors through a qualitative approach for a quality control application.
   
   Soft magnetic material, Characterization, Finite element, Measurement uncertainty, Electrical machines

5. "Représentativité de la modélisation aux éléments finis pour le diagnostic de machines synchrones de grande puissance"
   Alexandre BACCHUS, Université Lille 1, Février 2016, url, résumé

   Nous avons développé une méthode d'identification de courts-circuits et d'excentricités statiques d'un turboalternateur en fonctionnement. Cette méthode doit être non seulement capable d'identifier le type de défaut, mais également sa gravité et sa localisation. Pour cela, la force électromotrice issue d'une sonde de flux radiale est considérée pour identifier les défauts de la machine. Les méthodes d'apprentissage ayant fait leur preuve sur ce type de problématique, un ensemble d'échantillons des défauts, i.e. matrice des prototypes, est construit grâce à des simulations par la méthode des éléments finis de la machine dans un grand nombre d'états de fonctionnement. Le but est alors d'identifier la classe (le défaut) de mesures expérimentales en considérant les sorties de simulations. Pour faire cela, une maquette de turboalternateur est modélisée et les sorties de simulation sont comparées aux mesures expérimentales. L'application de méthodes de classification supervisée choisies selon la forme des données montre qu'on peut atteindre des taux de bonne classification de 79 % pour les courts-circuits et 93 % pour les excentricités après un traitement spécifique des attributs et un recalage des sorties de simulation. Une règle d'identification du type de défaut est également mise en place au travers d'une classification hiérarchique. Celle-ci donne d'excellents résultats pour lesquels toutes les mesures expérimentales sont assignées au bon type de défaut. Enfin, un automate à états finis permet d'améliorer les résultats précédents en tenant compte de l'évolution temporelle de l'état de fonctionnement de la machine. Ainsi, un taux de bonne classification de 91.5 % pour l'identification de courts-circuits est obtenu.
   
   mots clefs : Turboalternateur Turbogénérateurs -- Défauts -- Simulation par ordinateur Détection de défaut (ingénierie)
   Courts-circuits -- Localisation Éléments finis, Méthode des Flux magnétique -- Mesure Reconnaissance des formes (informatique) Classification automatique Exploration de données Machines séquentielles, Théorie des
   
   Representativeness of finite element modelling for the diagnosis of great power synchronous machines
   
   
   Résumé
   An identification method of rotor inter-turn short-circuits and static eccentricities of an operating turboalternator is developed. This approach provides the type of the machine functional state such as its seriousness and location. The electromotive force obtained from a radial flux sensor is considered in order to identify the machine faults. Some previous works have shown that learning methods are efficient to characterize precisely the fault of a machine. Thus, a fault signatures data set, i.e. prototypes matrix, is built thanks to simulations using finite element method applied to the machine considering a great number of functional states. Therefore, the goal of this work is to identify the class (fault) of experimental measurements using the simulated output. To do that, a small scale alternator is modelled and simulation outputs are compared to the experimental measurements. The application of supervised classification method chosen beyond the shape of data shows that a good classification rate of 79 % for short-circuits and 93 % for eccentricities can be achieved thanks to specific features and simulation output treatments. An identification rule of the fault type is designed by considering a hierarchical classification approach. It achieves excellent results since all experimental measurements are assigned to the right type of fault. Finally, the use of a finite state automaton achieves better results for short-circuits identification by taking into account the temporal evolution of the machine functional state.

6. "Calcul par éléments finis des pertes supplémentaires dans les motorisations performantes"
   Jalal CHEAYTANI, Université Lille 1, Février 2016, url, résumé

   Les pertes supplémentaires en charge dans les machines électriques représentent une contribution non-négligeable aux pertes totales. Elles constituent un point clé pour une évaluation exacte de l’efficacité énergétique des moteurs. L’objectif de ce travail a donc été d’investiguer les pertes supplémentaires, de déterminer et de quantifier leurs origines tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le modèle de calcul des pertes supplémentaires, développé dans la thèse, est basé sur l’essai normalisé de bilan de puissances. L’utilisation de ce dernier nécessite des modèles de calcul des pertes fer et des pertes par courants induits harmoniques. Le choix s’est porté sur des modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ces modèles ont été testés dans un premier temps sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) où l’influence des harmoniques de découpage a été étudiée. Ensuite, les pertes supplémentaires ont été calculées pour un moteur de 500 kW et deux moteurs de 6 kW à barres droites et inclinées. Plusieurs études ont été effectuées sur les origines des pertes supplémentaires, comme les flux de fuite d’extrémités, les flux de fuite zig-zag ainsi que les flux de fuite d’inclinaison, et leurs contributions ont été quantifiées. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais effectués sur la MSAP et sur les deux maquettes montre une bonne concordance. Ces résultats démontrent la capacité des modèles proposés à estimer les pertes fer, les pertes par courants induits et les pertes supplémentaires avec une bonne précision pour différents types de machines électriques et différents points de fonctionnements.
   
   Pertes supplémentaires en charge , Pertes fer, Courants induits, Dissipation d'énergie -- Modèles mathématiques -- Mesure
   Moteurs asynchrones -- Modèles mathématiques, Éléments finis, Méthode des ,Analyse harmonique (mathématiques)
   
   Stray load losses calculation in high performance motors using finite element method
   
   The stray load losses (SLL) in electrical machines represent a non-negligible contribution to the total losses and are a key point for an accurate evaluation of the energy efficiency of the considered device. The aim of this work is to investigate the SLL, to determine and quantify their origins using precise models of the studied motors. The SLL model calculation, developed in this thesis, is based on the normalized Input-Output test. This later requires models for the core and harmonic eddy current losses. The choice has been made for calculating the losses in the post- processing step of a finite element code. These models were tested, first, on a permanent magnet synchronous machine (PMSM), where the influence of the carrier harmonics is studied. Then, the SLL were calculated for a 500 kW induction motor and for two 6 kW motors with skewed and non-skewed rotor bars. Several studies have been performed to study the origins of the SLL such as the end-region leakage fluxes, the zig-zag leakage fluxes and the skew leakage fluxes, and quantify their contributions. The comparison, between the simulation results and those measured on the PMSM and both 6 kW motors, shows a good agreement. This demonstrates the ability of an accurate estimation of the core, eddy currents and SLL losses using the proposed post-processing calculation method, for different types of electrical machines under different operating conditions.

2015

1. "Contribution à la conception optimale d'une chaîne de traction électrique et de sa commande par modélisation multi-physique"
   Pierre CAILLARD, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2015, url, résumé

   Conception par optimisation d'une chaine de traction électrique et de son contrôle par
   modélisation multi-physique
   Résumé
   Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception par optimisation d’une
   chaine de traction de véhicule électrique en phase amont du développement. Dans une première
   partie, nous avons abordé le contexte environnemental du transport afin de poser la problématique
   de la conception systémique d’une chaine de traction électrique composée d’une transmission, une
   machine électrique asynchrone, un onduleur et une batterie. Le cas test est celui du Renault Twizy.
   La seconde partie explore les possibilités de modélisation puis détaille les modèles analytiques qui
   ont été choisis pour chaque composant. L’assemblage de ces modèles permet une estimation de
   l’autonomie du véhicule, au travers du calcul des pertes des composants, et du cout de la chaine de
   traction. La troisième partie est consacrée aux méthodes et stratégies d’optimisation afin de pouvoir
   exploiter le modèle système en incluant le cycle de roulage, le contrôle de la machine électrique et les
   différentes physiques des composants, tout en conservant des temps de calcul raisonnable. Enfin, la
   dernière partie présente des résultats d’optimisation, en comparant différents jeux de variables et
   objectifs, soulignant l’importance d’une conception systémique. Des essais sur banc permettent de
   valider les hypothèses qui ont été posées.
   Mots clefs: chaine de traction électrique, véhicule électrique, optimisation, système, modélisation,
   multi-physique, méthodologie, machine asynchrone, contrôle
   Optimal design of an electric powertrain with its control through multi-physics modeling
   Abstract
   The works of this thesis concern the optimal design methodology of an electric vehicle
   powertrain, in early development phase. The first part of this report introduces the environmental
   context of transportation in order to assess the problem of system design of an electric powertrain
   which includes a transmission, an induction machine, an inverter and a battery. The selected study
   case is a Renault Twizy. The second part deals with modeling choices and details the analytic models
   of the components. Then these models are put together to get an estimate of the vehicle range, by
   calculating the components’ losses and the powertrain cost. The third part is devoted to methods and
   optimization strategies with the objective to use the systemic model with driving cycles, electric
   machine control and the physics of each component, without increasing too much computing times.
   The final part presents results from optimal designs, by comparing several variables or objectives
   sets. Results show how significant the systemic design is. Experiments on a test bench allow
   validating the hypothesis that have been made.
   Keywords: electric powertrain, electric vehicle, optimization, system, modeling, multi-physics,
   methodology, induction machine, control

2. "Conception et optimisation d'une gamme de moteurs hybrides à haute performance énergétique"
   Vera ELISTRATOVA, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2015, url, résumé

   Titre en français: Conception optimale d’une gamme de moteurs synchrones à
   démarrage direct à haute performance énergétique
   Résumé en français:
   Ce travail a pour objectif de développer un outil analytique multi-physiques de
   dimensionnement d’une gamme de moteurs « hybrides » à démarrage direct, intégrant
   les avantages des deux technologies : l’auto-démarrage de la technologie asynchrone
   et les bonnes performances énergétique en régime permanent de la technologie
   synchrone à aimants permanents en répondant aux nouveaux enjeux d’efficacité
   énergétique et en ajoutant à cela les aspects économiques.
   La validation de cet outil est effectuée par des modèles éléments finis créés avec un
   logiciel commercial ANSYS/Maxwell et par des essais expérimentaux réalisés à
   l’aide de deux prototypes LSPMSM 7.5kW.
   Mots-clefs: moteur LSPM, modèle de dimensionnement, modélisation éléments finis,
   énumération exhaustive, modèle analytique, validation expérimentale.
   
   Titre en anglais: Optimal design of line-start permanent magnet synchronous motors
   of high efficiency
   Résumé en anglais:
   This work aims to develop a multi-physical generic model (and a pre-design
   software) for a range of LSPMSMs which would integrate the advantages of both
   technologies: self-start asynchronous technology and good energy performance of
   synchronous permanent magnet technology.
   The validation of this model is carried out by finite element commercial software
   ANSYS / Maxwell and by experimental tests using two 7.5kW.LSPMSM prototypes.
   Keywords: LSPM motor, analytical model, pre-design software, finite element
   modelling, exhaustive enumeration, experimental tests

3. "Prise en compte des incertitudes dimensionnelles introduites par les procédés de fabrication dans les modèles numériques de machines électriques"
   Sijun LIU, ENSAM, Novembre 2015, url, résumé

   Prise en compte des incertitudes dimensionnelles introduites par les procedes de fabrication
   dans les modeles numeriques de machines electriques
   Résumé : Les procédés de fabrication, du fait de leurs imperfections, conduisent à des
   dispersions des dimensions par rapport au nominal ainsi qu’à une variabilité de celles-ci d’un
   produit à un autre. Pour les machines électriques, ces imperfections peuvent conduire à des
   excentricités entre le rotor et le stator ou à des déformations de la surface intérieure du stator
   (défaut de forme). Dans la littérature, les travaux se focalisent surtout sur l’étude des effets
   néfastes dus à l’excentricité et pas sur les défauts de forme. De plus, ces travaux sont souvent
   basés sur une approche déterministe négligeant la variabilité qui peut apparaitre dans le cas
   de la production de masse. L’objectif de la thèse est donc de mettre en place une
   méthodologie basée sur une approche probabiliste permettant de quantifier l’effet des
   imperfections des procédés de fabrication sur la géométrie d’une machine électrique et d’en
   évaluer l’impact sur les performances. Pour cela, une campagne de mesures dimensionnelles a
   été effectuée sur 50 machines électriques permettant de caractériser les principaux défauts
   comme l’excentricité et la déformation de la surface intérieure du stator. Des modèles
   probabilistes de ces défauts ont été proposés permettant de prendre en compte leur
   variabilité. L’utilisation d’un modèle numérique de la machine électrique combiné avec des
   techniques d’approximation creuse ont permis d’évaluer l’influence de ces défauts sur les
   grandeurs d’intérêt comme la FEM ou le couple.
   : alternateur à griffes, métrologie, procédés de fabrication, déformation du stator,
   excentricité, quantification d’incertitudes, analyse de sensibilité
   Consideration of dimensional uncertainties introduced by the manufacturing processes in
   the numerical models of electrical machines
   Abstract : Due to their imperfections, manufacturing processes lead to deviations on the
   dimensions which are not equal to their nominal value and as well as a variability on the
   dimensions from one product to another in the case of mass production. For electrical
   machines, these imperfections can cause an eccentricity between the rotor and the stator or
   shape default like the deformation of the inner surface of the stator. In the literature, research
   focuses mainly on the study of detrimental effects due to the eccentricity but not on shape
   default. In addition, this research is often based on a deterministic approach neglecting the
   variability that can arise especially in mass production. The aim of the thesis is to develop a
   methodology based on a probabilistic approach to quantify on the performances of an
   electrical machine the effect of imperfections of manufacturing processes on the geometry.
   First, a campaign of measurements was performed on 50 electrical machines for characterizing
   the main defaults such as the eccentricity and the deformation of the inner surface of the
   stator. Probabilistic models of these defaults have been proposed for taking into account their
   variability. A numerical model of the electrical machine combined with sparse approximation
   techniques were used to quantify the influence of these defaults on quantities of interest such
   as EMF or torque.
   Keywords : claw-pole alternator, metrology, manufacturing processes, stator deformation,
   eccentricity, uncertainties quantification, sensitivity analysis

4. "Gestion énergétique optimale des installations fixes de traction électrique ferroviaire hybrides"
   Petronela BUZILA-PANKOVITS, Université Lille 1, Septembre 2015, url, résumé

   Résumé
   La croissance du trafic ferroviaire prévue dans les années à venir pousse les acteurs du système
   d'électrification ferroviaire à chercher des solutions innovantes leur permettant d'assurer la
   consommation d’énergie qui y est liée. Une des solutions concerne l'intégration de moyens de
   production décentralisés et des systèmes de stockage d'énergie dans les installations fixes de
   traction électrique (IFTE). Dans cette évolution, l a thèse vise à contribuer à la conception d'un
   outil de dimensionnement et de gestion énergétique intelligente des IFTE hybrides (IFTEH). La
   première partie décrit une méthodologie de conception technico-économique d’IFTEH. A partir
   d'une architecture générique d'IFTEH, une démarche d'optimisation sur cycle des variables
   dimensionnelles, mais également des variables de commandes du système de pilotage est
   proposée. La modélisation en flux d'énergie de l'IFTEH permet ensuite d’appliquer la
   méthodologie d’optimisation sur un cas d’étude et de comparer plusieurs scénarios
   d’optimisation. Après le dimensionnement de l'IFTEH, une méthodologie de gestion énergétique
   est développée afin de répondre aux objectifs énergétiques, économiques et environnementales, à
   différents horizons temporels de supervision d'IFTEH. Plusieurs scénarios de gestion sont évalués
   en simulation à travers des indicateurs de performance représentatifs des gains du système. Une
   étude d’optimisation des paramètres de supervision apporte des réponses concernant l’influence
   du dimensionnement du système sur la gestion énergétique. Enfin, la robustesse de la supervision
   énergétique d’IFTEH est analysée lors de la validation expérimentale à l’échelle de puissance du
   laboratoire.
   
   Mots-clés : sous-station ferroviaire hybride, production renouvelable, stockage d’énergie,
   modélisation, dimensionnement, optimisation, gestion énergétique, efficacité énergétique, marché
   de l'électricité.
   
   Abstract
   In railway traffic increasing and electricity market liberalization context, railway actors are
   determined to consider innovative solutions to handle the increasing energy demand for electrical
   traction. One of the solution concerns the integration of decentralized production and energy
   storage systems in the railway power substations (RPS). The present research work aims to
   contribute to the design of a sizing and intelligent energy management tool for the hybrid RPS
   (HRPS). In the first part of the dissertation, a methodology for the techno-economical design of
   the HRPS is described. From a HRPS generic architecture, an optimization approach is proposed
   by considering cycles of dimensional and system control variables. Furthermore, an energy flow
   model permits to apply the optimization methodology on a study case and to compare different
   optimization scenarios in order to analyze the sizing and optimal planning of electrical sources
   and loads for a typical day. After sizing the HRPS, an energy management methodology is
   developed in order to achieve energy, economic and environmental objectives at different time
   levels of HRPS supervision. Several energy management scenarios are evaluated in simulation
   through adapted system gain indicators. An optimization study of the supervision parameters
   provides additional answers concerning the influence of the system design on its management
   strategy. Eventually, the HRPS energy management robustness is analyzed during an
   experimental setup phase at laboratory power scale.
   
   Keywords : hybrid railway power substation, renewable energy, energy storage, system
   modeling, optimal design, energy management, energy efficiency, electricity market.

5. "Méthodologie de simulation et de pré-dimensionnement vibro-acoustique des groupes motopropulseurs électriques en rupture"
   Haifa MECHMECHE, Ecole Centrale de Lille, Juillet 2015, résumé

   confidentielle
   
   Cette thèse de doctorat s'inscrit dans un projet pour le développement du véhicule électrique piloté par la société Renault. Il répond aux prévisions d’exploitation de véhicules électriques pour des déplacements interurbains et urbains afin d’améliorer les aspects environnementaux. L'objectif de nos travaux a été de développer un outil capable de prédire le bruit d'origine électromagnétique produit par des machines à rotor passifs : machine à réluctance variable, sur une large plage de vitesse. Pour cela, le développement d’un modèle vibro-acoustique reposant sur les équations aux dérivées partielles permet d’obtenir une bonne estimation des vibrations et du bruit de la machine pour une force donnée. Cette modélisation analytique couplée à un outil éléments finis, permettant ainsi d’estimer précisément les pressions radiales d’origine magnétique, fournit sous forme de sonagramme le bruit de la machine sur une large plage de vitesse. Cette approche dite hybride « numérique et analytique » offre l’avantage d’un très bon compromis temps de calcul – précision afin de concevoir des machines peu bruyantes. Enfin une analyse des effets de la saturation de ces machines ainsi qu’une analyse harmonique par produit de convolution sont fournis.

2014

1. "Conception de systèmes électriques multidynamiques par optimisation multigranularité"
   Antoine PIERQUIN, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2014, url, résumé

   Conception de systèmes électriques multidynamiques par optimisation
   multigranularit´e
   Résumé: Les travaux de thèse visent à utiliser les modèles éléments finis pour l’optimisation
   de systemes multidynamiques. Les modèles éléments finis sont en effet rarement
   utilises en optimisation car ils générent des temps de calcul trop importants. Pour réduire
   le temps global d’optimisation, le temps de simulation du modèle lui-même peut être di-
   minué, mais le nombre d’évaluations du modèle peut aussi être limité. Dans cette optique,
   les stratégies d’optimisation multigranularités sont appliquées, permettant de corriger ou
   de créer des modèles rapides pour l’optimisation à partir de quelques évaluations d’un
   modèle initial. Ce modèle est un système multidynamique intégrant un modèle éléments
   finis. La modélisation d’un tel système est effectuée via la méthode de relaxation des
   formes d’onde qui permet un couplage efficace en un temps raisonnable. Le temps de calcul
   est encore réduit par l’application aux modèles éléments finis électromagnétiques de
   méthodes de réduction de modèle.
   La méthode de relaxation des formes d’onde est appliquée à la modélisation d’un trans-
   formateur. Le transformateur est ensuite optimise par des méthodes de space mapping et
   de krigeage. La méthode de relaxation des formes d’onde permet également le couplage
   d’un modèle électromagnétique non linéaire de type éléments finis avec un redresseur
   commande et un modèle thermique éléments finis.
   Mots-clefs: methode éléements finis, réduction de modèle, couplage multidynamique,
   optimisation multigranularité, couplage magnéto-thermique.
   
   Conception of multirate electrical systems by multi-level optimisation
   Abstract: These works aim at using finite element models in optimisation of multirate
   systems. Indeed, the finite element models are rarely used in optimisation because their
   computation time is too high. To reduce the duration of the optimisation process, simulation
   time of the model can be reduced, but the number of evaluations of the model can
   also be limited. In this perspective, multi-level optimisations are applied. They allow to
   correct or create fast models for the optimisation from a few number of evaluations of
   an initial model. The model is a multirate system including a finite element model. The
   modeling of such a system is done by waveform relaxation method which allows an efficient
   coupling in an acceptable computation time. Computation time is further reduced
   by applying model order reduction to the finite element models.
   The waveform relaxation method is applied to the modeling of a transformer. Then
   the transformer is optimised by space mapping and kriging techniques. The waveform
   relaxation method also allows the coupling of a finite element type electromagnetic non
   linear model with a rectifier and a finite element thermal model.
   Keywords: finite element method, model order reduction, multirate coupling, multilevel
   optimisation, magneto-thermal coupling.

2. "Modélisation numérique de la perte d'aimantation d'aimants permanents sous les contraintes magnétique et thermique rencontrées dans les dispositifs électriques"
   Radu FRATILA, Université Lille 1, Mars 2014, url, résumé

   Ce travail a pour objectif de développer un outil numérique de modélisation du comportement des aimants permanents tout en tenant compte de la démagnétisation induite par divers facteurs comme la géométrie, le champ induit et la température. Le modèle de démagnétisation est basé sur une expression analytique (l’équation de Marrocco). Il nécessite l’identification de quatre paramètres et l’implémentation des lois polynomiales de variation pour certains d’entre eux afin de prendre en compte la démagnétisation. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul par éléments finis code_Carmel. Pour prendre en compte l’influence de la température, un chaînage a été effectué avec un code thermique, SYRTHES. Afin de valider cet outil numérique, une maquette expérimentale a été développée. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les aimants permanents a été validé en utilisant une approche basée sur une procédure de séparation des pertes qui combine les résultats expérimentaux à ceux calculés. Ensuite, différentes grandeurs globales et locales issues du modèle de démagnétisation des aimants permanents ont été comparées aux mesures expérimentales avec une bonne concordance montrant ainsi l’aptitude du modèle proposé à représenter le comportement d’un aimant permanent soumis à une élévation de la température et à un champ démagnétisant.
   
   Numerical modeling of permanent magnet loss under magnetical and thermal constraints encoutered in electrical devices
   
   This work aims at developing a numerical tool able to simulate the behavior of permanent magnets while taking into account the demagnetization induced by various factors such as geometry, induced field and temperature. The demagnetization model is based on an analytical expression (the Marrocco equation). It requires the identification of four parameters and the implementation of polynomial variation laws for some of them in order to be able to take into account the demagnetization. This model has been implemented in the finite element calculation code code_Carmel. In order to also take into account the influence of temperature the model was coupled to a thermal calculation code, SYRTHES. To validate this tool, an experimental device has been developed. Initially the permanent magnet eddy current losses model has been validated using a loss balance procedure that combines both experimental and numerical approaches. This validation allows then to provide a good estimation of the temperature rise that appears inside the magnets. Finally the permanent magnet demagnetization model has been validated by comparing different global and local calculated values with measured ones. These results showed a good agreement and demonstrated a good ability of the proposed method to take into account the behavior of demagnetization of permanent magnets under the influence of induced magnetic field and temperature.

3. "Dimensionnement vibro-acoustique des machines synchrones à aimants permanents pour la traction ferroviaire : Règles de conception silencieuse"
   Mathias FAKAM, Ecole Centrale de Lille, Mars 2014, résumé

   confidentielle

2013

1. "Contribution to finite element analysis of magneto-mechanical and magneto-thermal phenomena"
   Zifu WANG, Université Lille 1, Décembre 2013, url, résumé

   The work presented in this thesis aims to contribute to finite element analysis of weak-
   coupling magneto-mechanical and magneto-thermal phenomena.
   In general, magneto-mechanical and magneto-thermal problems are made up of subprob-
   lems of which the physical nature differs. Using weak-coupling strategies, these subproblems
   can be calculated separately using finite element methods, and thus on their own meshes, in
   order to ensure precision. To obtain a precise solution for the entire problem, it is crucial
   to ensure the transmission of information between the subproblems. In this work, we study
   field projection methods on overlapping domains.
   Field projection formulations are given for classical L 2 or L 2 spaces, as well as for H(grad),
   H(curl) and H(div) in order to obtain increased projection accuracy for the distributional
   derivatives. A Petrov-Galerkin method is presented to fill the test space using a bi-orthogonal
   basis, in order to reduce the computation cost of L 2 or L 2 Ritz-Galerkin projections. Practical
   implementation techniques are also discussed in detail with respect to their accuracy, speed
   and simplicity of their implementation. Subsequently, with energy-conserving formulations
   for electromagnetic fields, applications of mesh-to-mesh projections are demonstrated. The
   accuracy and efficiency of the presented projection methods are given through multi-physics
   problems. The thesis closes with some conclusions and possibilities for future work.
   
   Keywords: finite element methods, multi-physics, weak-coupling, magneto-mechanical,
   magneto-thermal, Galerkin method, field projection.

2. "Modélisation et Optimisation d'un Générateur Synchrone à Double Excitation de Forte Puissance"
   Aymen AMMAR, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2013, url, résumé

   Résumé : Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances mais rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l’étude d’un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d’un modèle éléments finis.
   Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d’un fonctionnement en générateur éolien, l’augmentation du nombre d’encoches par pôle et par phase et l’augmentation de la fréquence d’alimentation contribuent à l’amélioration des performances du GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l’électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. De plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.
   Un prototype de GSDE d’une puissance d’1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d’abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. Enfin, la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l’apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS.
   Mots clés : Générateur Synchrone, Double Excitation, Modélisation, Optimisation, Dimensionnement, Prototype, Générateur Eolien.
   
   Abstract: The use of Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) can widely be extended to any size of power applications in regards to its high efficiency and simplicity of flux control. The aim of this thesis consists to analyze different design constraints and develop optimization processes of a Hybrid Excitation Synchronous Generator (HESG).
   Analytical and lumped models were used with reasonable level of accuracy and minimum computation time. The model has been validated by comparing the result to those achieved by FEM. The study shows the technical and economical advantages of the use of HESG compare to the conventional Salient Pole Synchronous Generator (SPSG). The comparison between the two generator topologies was considered for constant and variable speed applications such as wind energy. The influence of several parameters such as frequency and the number of slot per pole and per phase was investigated. For the case of wind energy application the study shows the importance of Weibull distribution and the speed range when
   looking for the optimized generator. In order to validate the multi-physics model, a 1MVA HESG was considered and a prototype produced. To highlight the advantages and performances of HESG generator a test program was carried out into steps. A first set of tests have been made before bounding the permanent magnets and the second set of tests have been made after bounding the permanent magnets.
   Key words: Hybrid Excitation, Generator, Modeling, Optimization, Design, Prototype, Wind Turbine.

3. "Développement d'un outil d'investigation pour le diagnostic des phénomènes hautes fréquences dans des câbles électriques"
   Duc Quang NGUYEN, ENSAM, Novembre 2013, url, résumé

   Développement d’un outil d’investigation pour le diagnostic des
   phénomènes hautes fréquences dans des câbles électriques
   
   RESUME : Les travaux effectués pendant la thèse ont principalement porté sur la modélisation
   et le calcul du comportement haute-fréquence (HF) des câbles électriques. Ces phénomènes
   physiques mis en jeu combinent les effets capacitifs et inductifs ainsi que les effets de peau et
   de proximité. Pour prendre en compte ces effets, nous utilisons une approche basée sur des
   circuits équivalents à base aux paramètres linéiques qui varient en fonction de la fréquence. La
   détermination des éléments du schéma équivalent a été effectuée en résolvant des problèmes
   d’électrostatique et de magnétoharmonique en utilisant la méthode des éléments finis. Ensuite,
   nous avons travaillé sur la méthode des lignes de transport (TLM) associée à une approche
   modale pour déterminer les fréquences de résonance du système en tenant compte des
   interconnexions aux extrémités du câble. Nous avons mis en œuvre cette méthode pour
   plusieurs types de câble électrique : bifilaire blindé, blindé de 4 conducteurs, AC triphasée et
   enfin HVDC. Le comportement HF de ces câbles a été étudié en utilisant l’approche
   développée.
   
   Mots clés : câble, haute fréquence, méthode des éléments finis, méthode des lignes de
   transport, modale, effet de peau, effet de proximité, magnétoharmonique, électrostatique, câble
   HVDC.
   
   Development of an investigative tool for the diagnosis of high frequency
   phenomena in power cables.
   
   ABSTRACT : The thesis focuses on the modeling of the behavior of power cables in high
   frequency (HF). Different physical phenomena like inductive and capacitive effects as well as
   skin and proximity effects are combined. To account for these phenomena, we use an approach
   based on equivalent circuits with distributed parameters (linear resistances, capacitances and
   inductances) which are frequency dependant. The determination of the equivalent circuit
   parameters was performed by solving electrostatic and magnetoharmonic problems using the
   finite element method. Then, we apply the Transmission Lines Method (TLM) associated with a
   modal approach to determine the impedance of the cable in function of the frequency taking into
   account the interconnections to the ends of cable. We have implemented the proposed method
   and apply it for several types of electric cable: shielded 2 wires, shielded 4 wires, three phases
   AC and finally the HVDC cable. The HF behavior of these cables has been studied using the
   developed approach.
   
   Keywords : power cable, high frequency, finite element method, transmission lines method,
   modal, skin effect, proximity effect, magnetoharmonic, electrostatic, HVDC cable.

4. "(Français) Caractérisation et modélisation HF des matériaux magnétiques pour la conception des composants passifs des filtres CEM. (Anglais) HF characterization and modeling of magnetic materials for the passive components used in EMI filters."
   Carlos CUELLAR, Université de Lille, Octobre 2013, url, résumé

   (Français) Les commutations des interrupteurs dans les convertisseurs statiques sont à l’origine des principales perturbations faisant l’objet de la compatibilité électromagnétique (CEM). La réduction de ces perturbations se fait, entre autre, à l’aide de filtres CEM qui nécessitent l’utilisation de noyaux magnétiques. Ces noyaux doivent posséder des propriétés physiques adaptées pour assurer le bon fonctionnement du filtre CEM dans la gamme des hautes fréquences (HF), et ce, quel que soit les contraintes d’utilisation. Ainsi, dans ce travail, des méthodologies et des modèles sont développés afin de dimensionner le filtre CEM dans les conditions réelles de fonctionnement.
   Tout d’abord, le noyau magnétique est étudié pour de faibles signaux d’excitation en proposant une méthode de caractérisation de la perméabilité magnétique complexe en HF. Deux modèles, l’un analytique et l’autre en circuit équivalent, sont développés. Dans un second temps, le matériau est considéré saturable. C’est pourquoi, une approche non-linéaire est développée pour représenter le matériau, avec et sans hystérésis, tout en y incluant le comportement capacitif du matériau en HF. De plus, une méthode expérimentale, basée sur l’utilisation d’une spire plate, est proposée pour caractériser l’hystérésis magnétique.
   Enfin, une amélioration de la méthode d’injection de courant est proposée, notamment par l’utilisation de nouvelles sondes, pour caractériser l’impédance d’entrée d’un convertisseur. Cette impédance, combinée avec les modèles précédents de matériaux, sont utilisée pour déterminer la perte d’insertion d’un filtre CEM. Les résultats de simulations sont validés par la mesure expérimentale.
   
   (Anglais) The switching semiconductor devices in static-converters are the main source of electromagnetic interference (EMI). Reduction of these emissions can be achieved by different techniques including the use of EMI filters which design requires the use of magnetic cores. These must have adequate physical properties allowing the EMI filter to fulfill its task within a specified frequency range whatever the operating conditions (saturation, temperature…). Therefore, in the present work, some methodologies and models are developed in order to be able to design the EMI filter within its real conditions of operation.
   First, the magnetic core is considered in small-signal conditions and a method is proposed to measure the complex magnetic permeability in high frequency (HF). Two models, analytical and lumped-circuit network, are developed to account for the HF characteristics. In a second step, the material is considered saturable as the EMI filter can be subjected to more important currents, leading to the modification of its main characteristics. Then, a non-linear modeling approach, with and without hysteresis effect, including a material capacitance is considered for modeling the magnetic core. Additionally, a technique is proposed to characterize in HF the magnetic hysteresis loop from a single turn flat coil configuration.
   Finally, an improved current injection method, with new designed current probes, is used to characterize the input impedance of a converter. The impedance, combined with the developed small-signal and high-signal material models, is used to predict the insertion loss of an EMI filter. Simulation results are validated by the experiment.

2012

1. "Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Adrian Augustin POP, CLUJ-NAPOCA (EC LILLE), Décembre 2012, url, résumé

   Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction
   ferroviaire
   
   Dans le contexte actuel de mondialisation des marchés, le processus classique de conception par essais et erreurs,
   traditionnellement employé par les ingénieurs, nʹest plus capable de répondre aux exigences de plus en plus accrues en
   termes de délais très courts, réduction des coûts de production, etc. Lʹoutil dʹoptimisation propose une réponse à ces
   questions, en accompagnant les ingénieurs dans la tâche de conception optimale.
   Lʹobjectif de cette thèse est centré sur la conception optimale des systèmes complexes. Deux approches dʹoptimisation
   sont abordées dans ce travail: lʹoptimisation par modèles de substitution et la conception optimale basée sur la
   décomposition des systèmes complexes.
   Lʹutilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) est devenue une pratique régulière dans l’industrie. La
   démarche dʹoptimisation basée sur modèles de substitution est destinée à répondre à lʹoptimisation des dispositifs avec ce
   genre de modèles coûteux de simulation, tels que les éléments finis (EF) en électromagnétisme. Lʹoptimisation multi‐objectif
   se présente comme un outil dʹaide à la décision, en aidant le concepteur à prendre une décision éclairée. Le calcul distribué
   est utilisé pour réduire le temps global du processus dʹoptimisation.
   Les systèmes dʹingénierie tels que les chaînes de traction ferroviaires sont trop complexes pour être traités comme un
   tout. Les stratégies dʹoptimisation basées sur la décomposition cherchent à répondre à la conception optimale de ces
   systèmes. Les approches de décomposition par modèle, discipline ou objet visent à distribuer la charge de calcul. Des
   stratégies de coordination multi‐niveaux sont utilisées pour gérer le processus dʹoptimisation. Ces approches permettent à
   chaque équipe de spécialistes de travailler sur leur expertise de façon autonome. Les techniques dʹoptimisation à base de
   modèles de substitution peuvent être intégrées dans les stratégies d’optimisation  multi‐niveaux, allégeant ainsi la charge de
   calcul.
   Les approches dʹoptimisation développées au sein de ce travail sont appliquées pour résoudre plusieurs problèmes
   dʹoptimisation électromagnétiques, ainsi que la conception optimale d’un système de traction ferroviaire de la Société
   Alstom.
   
   Mots‐clés : ‐ Conception optimale des systèmes électromagnétiques
   ‐ Optimisation par modèles de substitution
   ‐ Conception optimale de systèmes basée sur décomposition
   ‐ Optimisation multi‐niveaux
   ‐ Chaîne de traction ferroviaire
   
   Multi‐level approaches for optimal system design in railway applications
   
   Within a globalized market context, the classical trial‐and‐error design process traditionally employed by engineers is no
   longer capable of answering to the ever‐growing demands in terms of short deadlines, reduced production costs, etc. The
   optimization tool presents itself as an answer to these issues, accompanying the engineers in the optimal design task.
   The focus of this thesis is centered on the optimal design of complex systems. Two main optimization approaches are
   addressed in this work: the metamodel‐based design optimization approach and the decomposition‐based complex systems
   optimal design.
   The use of computer‐aided design/engineering (CAD/CAE) software has become a regular practice in the engineering
   design process. The metamodel‐based optimization approach is intended to address the optimization of devices represented
   by such computational expensive simulation models, as the finite element analysis (FEA) in electromagnetics. The multi‐
   objective optimization stands as a decision‐making support tool, helping the design engineer make an informed decision.
   The distributed computation is employed to reduce the overall time of the optimization process.
   Engineering systems such as railway traction systems are too complex to be addressed as a whole. The decomposition‐
   based optimization strategies are intended to address the optimal design of such systems. Model, discipline or object‐based
   decomposition approaches intend to distribute the computational burden across the system. Multi‐level coordination
   strategies are used to manage the optimization process. Each team of specialists can work independently at the object of their
   expertise. The metamodel‐based optimization techniques can be integrated within the multi‐level decomposition‐based
   strategies, reducing the computational burden.
   The optimization approaches developed in this work are applied for solving several electromagnetic optimization
   problems and a railway traction system optimal design problem of the Alstom Company.
   
   Keywords:
   ‐ Optimal design of electromagnetic devices
   ‐ Metamodel‐based optimization
   ‐ Decomposition‐based complex systems optimal design
   ‐ Multi‐level optimization
   ‐ Railway traction system

2. "Conception optimale et multi-physique de composants passifs pour le sous-système auxiliaire ferroviaire"
   Mathieu ROSSI, EC LILLE, Décembre 2012, url, résumé

   CONCEPTION OPTIMALE ET MULTI-PHYSIQUE DE COMPOSANTS
   PASSIFS DE PUISSANCE EXPLOITES DANS LE DOMAINE
   FERROVIAIRE
   
   La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels
   dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès
   est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des
   pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte
   composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et
   augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs et inductances. C’est pourquoi il
   est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes
   tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le
   dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs
   auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place d’une boucle d’optimisation sur un modèle multiphysique
   est montré.
   Pour cela il est important de développer des modèles possédant un bon compromis entre le temps de
   calcul et la précision. Dans cette thèse, seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation
   forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle
   électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II
   permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes
   thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience
   afin de juger de la robustesse des solutions optimales.
   
   Mots clés : Conception optimale, Optimisation, Thermique, Multi-physique, Transformateur, Inductance,
   Ferroviaire.
   
   OPTIMAL AND MULTI-PHYSIC DESIGN OF INDUCTORS –
   TRANSFORMER ASSOCIATED TO RAILWAY APPLICATION.
   
   Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This
   progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this
   evolution generates many harmonic losses in different components as inductors or transformers, and
   complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly
   important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different
   phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an
   optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers
   coupled with inductor for the railway application
   It’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy and field
   calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A
   3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to
   optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to
   several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented.
   Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the
   neighborhood of the optimal point.
   
   Keywords: Optimal design, Optimization, Thermal phenomena, multi-physic models, transformer,
   inductor, railway domain.

3. "CONTRIBUTION A LA PRISE EN COMPTE DES PERTES FER DANS LA MODELISATION DES MACHINES ELECTRIQUES PAR ELEMENTS FINIS"
   Mircea FRATILA, Lille, Décembre 2012, url, résumé

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

4. "Machines électriques intégrées à des hélices marines : contribution à une modélisation et conception multi-physique"
   Laurent DROUEN, A&MParisTech, IRENav/ L2EP, Décembre 2012, url, résumé

   MACHINES ELECTRIQUES INTEGREES A DES HELICES MARINES
   CONTRIBUTION A UNE MODELISATION ET CONCEPTION MULTI-PHYSIQUE
   RESUME : L’objet des présents travaux est d’étudier, à la lumière d’une modélisation multiphysique,
   une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à
   aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d’hélice. Cette technologie dite
   « Rim Driven » est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l’énergie
   cinétique des courants. Dans la continuité d’une étude bibliographique exhaustive, il nous
   apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines
   d’application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement
   systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique
   est privilégiée afin d’englober l’ensemble des phénomènes susceptibles d’influencer
   les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d’ordre
   électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement
   développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles
   qu’une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant
   leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les
   performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en
   évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de
   référence en nacelle de type POD. Finalement, c’est l’idée même d’un modèle multi-physique
   couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par
   rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un
   certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et
   la fabrication d’une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite
   dans la perspective d’essais en bassin au cours de l’année 2011.
   Mots clés : hélice, propulsion, hydroliennes, machine à aimants permanents, entraînement
   périphérique, modèle analytique, approche multi-physique.
   ELECTRICAL MACHINES FITTED TO A MARINE PROPELLER OR TURBINE
   CONTRIBUTION TO A MODELING AND MULTIPHYSIC DESIGN
   ABSTRACT : The present works aim at studying, within the frame of a multi-physical modeling,
   an innovative system where the blades of a propeller or a marine turbine are rim driven by a
   synchronous permanent magnet and radial flux electrical machine. Both applications are
   considered : a propeller for naval propulsion and a turbine for the extraction of currents kinetic
   energy. After an extensive bibliographic analysis, it is considered necessary to investigate more
   in details the specificities and potential application areas of theses structures. A robust, fast and
   fairly precise analytical tool for the systematic pre dimensioning of these systems is thus put in
   place. The model is of mutiphysic order such that most of the phenomenons that potentially have
   an impact on the performances of the system are considered. The models are of different
   natures : electromagnetic, thermal and hydrodynamical. Some of them are specifically built in
   order to take into account some of the studied structure specificities : a short axial length or a
   large immersed gap. The conditions of validity of these models are discussed. Several sets of
   specification are then considererd : the performances and working conditions are calculated and
   analysed. In parallel, the rim driven system is compared to a more traditionnal POD structure.
   The principle of a multiphysic approach is also analysed in order to understand the real interest
   of such an approach compared to a more traditional sequential one. Some of the results show
   that this tool may be of real relevance. Finally, the design and manufacture of a small prototype
   are described. They will be followed by a program of tests that is scheduled for 2011.
   Keywords : propeller, marine turbine, permanent magnet machines, rim driven, analytical
   model, multiphysic approach.

5. "Modélisation multi-physique par modèles à constantes localisées. Application à une machine synchrone à aimants permanents en vue de son dimensionnement"
   Nicolas BRACIKOWSKI, EC LILLE, Novembre 2012, url, résumé

   Résumé : Afin de définir une conception optimale d’un système électromécanique, celui-ci doit intégrer des contraintes toujours plus drastiques et de nombreux phénomènes physiques issus de : l’électromagnétique, l’aérothermique, l’électronique, la mécanique et l’acoustique. L’originalité de cette thèse est de proposer une modélisation multi-physique pour la conception reposant sur des modèles à constantes localisées : solution intermédiaire entre la modélisation analytique et numérique. Ces différents modèles permettront l’étude et la conception sous contraintes d’une machine synchrone à aimants permanents dédiée pour la traction ferroviaire. Les résultats de simulations seront comparés à des résultats éléments finis mais aussi à des essais expérimentaux. Ce modèle multi-physique est entièrement paramétré afin d’être associé à des outils d’optimisation. On utilisera ici une optimisation par essaim de particules pour chercher des compromis entre différents objectifs sous forme de Front de Pareto. Dans ce papier, nous ciblerons les objectifs suivants : le couple d’origine électromagnétique et le bruit d’origine électromagnétique. Finalement une étude de sensibilité valide la robustesse de la conception retenue quand celle-ci est soumise aux contraintes de fabrication. L’objectif étant de poser les bases d’un outil d’aide à la décision pour le choix d’une machine électrique:
   
   Mots-clefs : Machine synchrone à aimants en surface, modèle à constantes localisées, modèle multi-physique, bruit d’origine électromagnétique, couple d’origine électromagnétique, optimisation multi-objectif, algorithme par essaim de particules, études de sensibilité.
   
   Abstract : In order to perform an optimal design of electromechanical system, the designer must take into account ever more stringent constraints and many physical phenomena from electric, magnetic, aeraulic, thermic, electronic, mechanic and acoustic. The originality of this thesis is to put forward a multi-physic design based on lumped models: halfway between analytical and numerical modeling. These models allow sizing a permanent magnet synchronous machine under constraints for rail traction. The results are validated with finite element simulations and experimental analysis. The multi-physic modeling is fully automated, parameterized, in order to combine the model with the optimization tool. We used here particle swarm optimization to search compromises between several objectives (Pareto Front). In this paper, we focus on electromagnetic torque and electromagnetic noise. Finally a sensitive study validates the robustness of selected design when it is subjected to manufacturing constraints. The aim of this work is to propose a decision tool to size electrical machines
   
   Key words: Magnet synchronous machine surface model, lumped model, multi-physical model, electromagnetic noise, electromagnetic torque, multi-objective optimization, particle swarm algorithm, sensitive studies.

6. "Estimateurs d’erreur a posteriori résiduels en éléments finis pour la résolution de problèmes d'électromagnétisme en formulations potentielles"
   Zuqi TANG, Université Lille 1, Novembre 2012, url, résumé

   Résumé
   Ce travail s’intéresse à la résolution numérique par éléments finis des équations de Maxwell en régime quasi-stationnaire et en formulations potentielles. L’objectif poursuivi consiste à développer des estimateurs d’erreur a posteriori résiduels, afin de contrôler l’erreur de discrétisation spatiale, dans le cadre d’applications en régime statique ou en régime dynamique harmonique.La première partie de cette thèse est composée de deux chapitres. Le premier est consacré à la modélisation des phénomènes physiques étudiés et à l’obtention des équations mathématiques en résultant. Dans le second, on présente les estimateurs a posteriori et leur intérêt dans le cadre de la mise en oeuvre de la méthode des éléments finis. On détaille notamment les notions de fiablité et d’efficacité d’un estimateur. La deuxième partie se décompose en trois chapitres. Le premier développe l’estimateur a posteriori dans le cas de la magnétostatique en formulation potentielle vecteur A. Les outils mathématiques nécessaires à l’étude sont en particulier détaillés. L’estimateur obtenu est alors validé sur quelques cas tests académiques. Le deuxième traite de l’estimateur a posteriori pour la formulation magnétodynamique en potentiel A/φ en régime harmonique. Un soin particulier est apporté pour générer une décomposition de Helmholtz ad hoc permettant d’obtenir la fiabilité de l’estimateur. Plusieurs configurations sont traitées en fonction de la position du domaine conducteur dans le domaine de calcul et des conditions aux limites associées. Un test numérique est ensuite effectué. Le troisième chapitre est consacré à l’estimateur d’erreur a posteriori pour la formulation T/Ω en régime harmonique pour le problème de la magnétodynamique, en supposant le domaine conducteur simplement connexe. Similairement à la formulation A/φ, une décomposition de Helmholtz est développée pour établir la fiabilité. Une validation numérique est proposée. Enfin, la troisième partie présente une batterie de tests numériques applicatifs et industriels permettant de tester les estimateurs développés dans des conditions réelles. Celle-ci se termine notamment par une application de EDF R&D ayant pour objet le contrôle non destructif par courant de Foucault de tubes générateurs de vapeur.
   
   abstract
   We are interested in resolving the Maxwell equations in the case of quasi-stationary and potential formulations when the finite element method is used. The aim of this work is to develop residual-based a posteriori estimators to control the spatial discretization error in magnetostatic and magnetodynamic problems. The first part is decomposed in two chapters. In the first one, the modeling of the physical phenomena involved are proposed and the mathematical equations are derived. Then, in the second one, the definition of the a posteriori estimators and their interest are presented in the context of the finite element method. The particular notions of reliability and efficiency of an estimator are presented. The second part can be decomposed into three chapters. In the first one, a residualbased a posteriori estimator for the vector potential formulation A in the case of magnetostatic problems is developed. Some necessary mathematical tools for the study are particularly detailed. The estimator is then validated by some academic tests. In the second chapter, a residual-based a posteriori estimator for the A/φ magnetodynamic harmonic formulation is developed. An ad-hoc Helmholtz decomposition is derived to obtain the reliability of the estimator. Several configurations are considered according to the position of the conductor domain in the computational domain as well as boundary conditions used. A numerical test is then performed. In the third chapter, a residual-based a posteriori estimator is derived for the T/Ω magnetodynamic harmonic formulation, when the conductor domain is simply connected. Similarly to the A/φ formulation, an ad-hoc Helmholtz decomposition is developed to establish the reliability. A numerical validation is proposed.Finally, in the third part, a set of numerical experiments and industrial applications are presented to evaluate our estimators. It ends with a particular application of EDF R&D focusing on the eddy current non-destructive evaluation of steam generator tubes.

7. "Vers une conception optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Martin CANTEGREL, EC LILLE, Octobre 2012, url, résumé

   Résumé
   Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre
   
   abstract
   This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

8. "Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Alexandru Claudiu BERBECEA, EC LILLE, Octobre 2012
9. "Modélisation stochastique de la variabilité des propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques:application sur des stators de machines électriques"
   Rindra RAMAROTAFIKA, A&M ParisTech, Septembre 2012
10. "Eco-conception d’une chaine de traction ferroviaire"
    Ramzi BEN AYED, EC LILLE, Juin 2012
11. "Propagation d’incertitudes dans les modèles éléments finis en électromagnétisme- Application au contrôle non destructif par courants de Foucault "
    Karim BEDDEK, A&MParisTech, Juin 2012
12. "Contribution à la modélisation de tests de diagnostic de courts-circuits entre tôles dans les stators de turboalternateurs"
    Juliana-Luisa MÜLLER, Co-tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil, Mai 2012
13. "Résolution numérique en électromagnétisme statique de problèmes aux incertitudes géométriques par la méthode de transformation : Application aux machines électriques"
    D MAC, A&M ParisTech, Mars 2012
2011

1. "Contribution à la détection de défauts dans les rotors des turboalternateurs"
   Bruno TANNO-IAMAMURA, Co tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil, Décembre 2011
2. "Conception Optimale d’un Moteur Linéaire à Induction pour le Système de Traction Ferroviaire"
   Jinlin GONG, EC LILLE, Octobre 2011
3. "Conception optimale des moteurs à réluctance variable à commutation électronique pour la traction des véhicules électriques légers "
   Dan ILEA, CLUJ-NAPOCA (EC LILLE), Mars 2011
4. "Contribution à la modélisation des systèmes électromagnétiques: étude de méthodes de recollement de maillages"
   Mathieu AUBERTIN, Université Lille1, Janvier 2011
2010

1. "Contribution à la modélisation déterministe et stochastique du phénomène de pull-in dans les MEMS à actionnement électrostatique"
   Francisc BOLONI, Université Lille 1, Novembre 2010
2. "Systèmes de suspension semi-active à base de fluide magnétorhéologique pour l’automobile"
   Hussein SLEIMAN, A&M ParisTech, Juin 2010
3. "Contribution à l’Etude et la Commande de Génératrices Asynchrones à Cage Dédiées à des Centrales Electriques Eoliennes Autonomes"
   Kassa IDJDARENE, Université Lille 1, 11-2010, Mai 2010
2009

1. "Caractérisation et modélisation causale d’un frein à liquide magnétorhéologique en vue de sa commande "
   Richard DEMERSSEMAN, A&M ParisTech, Septembre 2009
2. "Multi-level and multi-objective design optimization tools for handling complex systems"
   Fouzia MOUSSOUNI, EC LILLE, Juillet 2009
3. "Problèmes Combinatoires et Modèles Multi-Niveaux pour la Conception Optimale des Machines Electriques"
   Tuan-Vu TRAN, EC LILLE, Juin 2009
4. "Contribution à la modélisation 3D des systèmes électromagnétiques basse fréquence à l’aide de la méthode d’intégration finie (FIT)"
   Julien KORECKI, Université de Lille, Mai 2009, url, résumé

   C ONTRIBUTION A LA MODELISATION 3D DES SYSTEMES ELECTROMAGNETIQUES BASSE
   FREQUENCE A L ’ AIDE DE LA METHODE D ’ INTEGRATION FINIE (FIT)
   
   Résumé : La méthode des éléments finis (MEF) est la méthode la plus utilisée pour
   résoudre numériquement des problèmes rencontrés en mécanique, en thermique, en
   électromagnétisme, etc. Dans le domaine du génie électrique elle permet de réaliser la
   simulation de dispositifs électromagnétiques avec une grande précision. Cependant,
   devant les capacités grandissantes des outils de calcul, on est amené à modéliser des
   systèmes de plus en plus complexes. Paradoxalement, devant les temps de calcul impor-
   tants que cela engendre, l’intérêt des industriels se porte sur des méthodes alternatives
   permettant d’obtenir des résultats plus rapidement.
   Les travaux menés durant cette thèse se sont portés sur l’étude d’une méthode alter-
   native, la technique d’intégration finie (FIT). Cette méthode permet d’obtenir un bon
   compromis entre rapidité des temps de calcul et qualité de la solution. À travers des
   problèmes d’électrocinétique, de magnétostatique et de magnétodynamique, il est mon-
   tré, avec ces travaux, que les résultats obtenus à l’aide de la FIT sont de bonnes qualités
   comparés à la méthode des éléments finis. Des outils appliqués à l’imposition des gran-
   deurs globales électriques et magnétiques sont aussi présentés dans ce travail.
   
   Mots clefs : Technique d’intégration finie, modélisation électromagnétique, électrociné-
   tique, magnétostatique, magnétodynamique, grandeurs globales.
   
   CONTRIBUTION TO THE 3D MODELLING OF LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETIC
   SYSTEMS USING FINITE INTEGRATION TECHNIQUE (FIT)
   
   Abstract : To solve numerically the mechanics, thermals and magnetodynamics prob-
   lems, the finite element method is the most used. In electrical engineering, this method
   allows the simulation of electromagnetic devices with a great accuracy. However, in
   spite of growing capacity of the computers, the studied models become more and more
   complicated. From an industrial point of view, these computation times are not accept-
   able. Therefore, a fast and reliable numerical tool is necessary.
   The developments realized during this thesis concern an alternative method, the fi-
   nite integration technique. This method allows finding a compromise between computa-
   tion times and accuracy. For the cases of electrokinetics, magnetostatics and magneto-
   dynamics, simulations using FIT proved that results are accurate. Mathematical tools
   used to impose the electric and magnetic quantities.
   
   Keywords : Finite integration technique, electromagnetic modeling, electrokinetic,
   magnetostatic, magnetodyynamique, global quantities.

5. "Une approche orientée modèle pour la parallélisation d’un code de calcul éléments finis"
   Julien TAILLARD, Université des Sciences et Technologies de Lille, Février 2009
2008

1. "Regles de conception silencieuse d’une machine asynchrone dédiée pour la traction ferroviaire"
   Jean LE BESNERAIS, EC LILLE, Décembre 2008
2. "Modélisation et conception optimale pour les applications ferroviaires"
   Sangkla KREUAWAN, EC LILLE, Novembre 2008
3. "Mise en œuvre d’une technique de projection de grandeurs discrètes: application aux couplages magnétothermique et magnétomécanique"
   Guillaume PARENT, Co-tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université de Liège, Octobre 2008
4. "Contribution à la modélisation numérique en électromagnétisme statique stocahstique"
   Roman GAIGNAIRE, A&M, Mars 2008
2007

1. "Contribution à la modélisation multi-physique: électro-vibro-acoustique et aérothermique de machines de traction"
   Aurélie FASQUELLE, , Novembre 2007, résumé

   Le développement important ces dernières années du secteur du transport s’est accompagné d’une inquiétude accrue pour le respect de l’environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n’en est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L’intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d’un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d’optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu’ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L’efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d’évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d’essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l’influence des incertitudes.

2. "Etude, conception et réalisation d’un actionneur électromagnétique à mouvements linéaire et rotatif"
   Guillaume KREBS, Université des Sciences et Technologies de Lille, USTL, Juin 2007, résumé

   L’environnement industriel très compétitif nécessite de plus en plus de convertisseurs électromécaniques pour des applications spécifiques, souvent à entraînement direct. Les travaux menés s’inscrivent dans ce contexte et ont eu pour objectif l’étude, la conception et la réalisation d’un actionneur électromagnétique à mouvements linéaire et rotatif ( l&r) à partir d’un cahier des charges industriel.
   Le premier chapitre est dédié à un état de l’art des diverses structures pouvant répondre au cahier des charges. Une structure synchrone à aimants permanents et stator denté est retenue. Les champs d’induit linéaire et rotatif étant générés au travers de bobinages spécifiques, la suite du chapitre traite de l’alimentation de ces bobinages et de la validation théorique de la conversion électromécanique choisie.
   Dans le second chapitre, un actionneur plan x-y est dimensionné à l’aide d’un modèle à réseau de réluctances. Ce dispositif est ensuite étudié par un modèle numérique en 3D et un prototype construit. Les diverses comparaisons ont montré la validité du principe retenu pour créer les deux mouvements ainsi que celle des modèles de dimensionnement et d’étude.
   La troisième partie du mémoire est consacrée à la réduction des forces de détente inhérentes à ce genre de structure. En se basant sur un actionneur linéaire, une première approche, simple, utilisant un modèle analytique, est appliquée. Une seconde approche, basée sur un modèle éléments finis 2D, plus précise, est également utilisée. Les résultats qui en sont issus sont validés par un modèle éléments finis 3D et sur un prototype qui a été construit. Enfin, une stratégie d’autopilotage est proposée et simulée pour l’alimentation de l’actionneur linéaire.
   Le dernier chapitre est consacré à l’actionneur l&r. Utilisant les modèles et résultats précédents, un prototype est dimensionné et fabriqué. Ses performances sont quantifiées par des modèles EF 3D et comparées aux mesures. Le prototype testé permet de décrire les trajectoires demandées dans le cahier des charges. Enfin, une stratégie d’autopilotage, mettant en œuvre des capteurs à effet Hall, est proposée et simulée.

2006

1. "Conception et modélisation d’une machine synchrone à 7 phases à aimants permanents et flux axial : commande vectorielle en modes normal et dégradé"
   Fabrice LOCMENT, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2006, résumé

   Pour les entraînements à vitesse variable, la machine électrique n’étant plus directement couplée au réseau triphasé, le choix du nombre de phases peut être reconsidéré. On s’intéresse dans la thèse à la conception d’entraînements comportant des machines synchrones à aimants permanents à pôles lisses et non saturées mais à plus de trois phases. L’objectif est d’examiner simultanément les contraintes liées à la machine et à l’ensemble onduleur de tension/commande dans le but de réaliser un ensemble polyphasé performant. Les travaux développés dans cette étude explorent la possibilité spécifique des machines polyphasées de posséder des harmoniques spatiaux de force magnétomotrice et de force électromotrice tout en présentant des couples pulsatoires de très faible amplitude tant en mode normal que dégradé avec une ou deux phases non alimentées. Dans le chapitre II, pour une structure de bobinage imposée, nous examinons lors de la conception d’une machine à 7 phases à flux axial à double rotor l’effet d’une modulation des forces électromotrices en jouant sur la nature et la distribution des aimants permanents sur les rotors. Dans le chapitre III, une comparaison entre résultats expérimentaux et résultats obtenus par approches analytique et numérique (calcul 3D) est effectuée. Elle permet de valider l’approche analytique multi-harmoniques et met en exergue l’apport du calcul numérique. Dans le chapitre IV, une structure de commande est élaborée par inversion causale et une commande vectorielle est décrite et implantée expérimentalement pour un fonctionnement en mode normal ou dégradé.

2005

1. "Contribution to the simulation of movement in 3D with the finite element method, application to model the electrical machines"
   Xiaodong SHI, Thèse de Doctorat, Décembre 2005, url, résumé

   The finite element method is usually used for modeling the electromagnetic devices. In 3D, the simulation movement hasn’t been completely solved.
   In our work, we have studied, developed and compared seven methods of simulation movement. We propose to classify these methods by two groups: those concerned a slipping surface and those concerned a sticking volume. In order to validate the techniques, we have verified continuities of local variables with an academic model, also qualified global variables by modeling a permanent magnet machine.
   Finally, a turbo-alternator of EDF has been modeled. With the help of a mesh 2D extruded, under the condition of no-load tests and then load tests, the results obtained with different movement methods have been compared. In 3D mesh, when taking into account of the winding heads, we have developed a hybrid movement method. The calculated results have been compared with the measures.

2004

1. "Contribution à la prise en compte des grandeurs globales dans les problèmes d’électromagnétisme résolus avec la méthode des éléments finis "
   Thomas HENNERON, , Décembre 2004
2002

1. "Contribution à la caractérisation et à la modélisation de matériaux magnétiques en vue d’une implantation dans un code de calcul de champ"
   Abdelkader BENABOU, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2002
1995

1. "Outil et Méthodologie pour la conception des Moteurs à Réluctance Variable à Double Saillance"
   Stéphane BRISSET, Université des Sciences et Technologies de Lille, Janvier 1995, résumé

   Nous étudions un moteur à réluctance variable à double saillance avec quatre dents statoriques et deux dents rotoriques dont les deux phases sont câblées en demi-pont asymétrique. Son nombre de phase étant faible, le démarrage pose problème et nécessite l’élaboration d’une loi de commande complexe pour compenser la simplicité du capteur de position constitué d’une roue dentée et d’une fourche optique.
   Un modèle éléments finis couplé électronique-magnétique-cinématique est alors construit, validé puis utilisé pour résoudre les problèmes liés au démarrage.
   De plus, les cotations de la géométrie du moteur et les instants de commutation des interrupteurs doivent être déterminés pour satisfaire au mieux le problème de conception formulé au moyen d’un cahier des charges.
   Une méthodologie est proposée pour résoudre les problèmes de conception des dispositifs électromagnétiques. Elle consiste, dans un premier temps, à exprimer le problème de conception dans un formalisme mathématique puis, dans un deuxième temps, à appliquer des méthodes d’optimisation pour le résoudre.
   L’outil qu’est le modèle éléments finis et la méthodologie de résolution du problème de conception sont ensuite utilisés conjointement pour l’optimisation d’un moteur à réluctance variable à double saillance.

2. "Contribution à la modélisation des systèmes électrotechniques par la méthode des schémas équivalents magnétiques. Application à l’alternateur automobile"
   Michel HECQUET, Université des Sciences et Techniques de Lille, Janvier 1995
1993

1. "Contribution à la commande vectorielle de machines à réluctance variable. Prise en compte de l’amortissement et de la saturation"
   Abdelmounaïm TOUNZI, , Février 1993

Equipe Réseaux
2022

1. "Connexion en AC de grandes fermes éoliennes au réseau de transport : d'un raccordement en source de courant au raccordement en source de tension"
   Artur AVAZOV, Thèse, Décembre 2022, url, résumé

   Des centrales éoliennes (WPPs) constituent une part significative des sources d'énergies renouvelables interfacées au réseau électrique avec les convertisseurs électroniques de puissance. Jusqu'à présent, presque tous ces convertisseurs sont connectés au réseau en mode de fonctionnement appelé grid-following. Dans les années à venir, au moins certains d'entre eux passeront au mode de fonctionnement appelé grid-forming.Le contrôle d’un convertisseur en grid-forming est différent d'un contrôle classique en grid-following. Par conséquent, afin de faire fonctionner une éolienne de Type-4 en grid-forming, il est nécessaire de modifier la configuration de commande du convertisseur en tête-bêche. La modification appropriée de la commande crée un fort couplage entre le convertisseur grid-forming et la partie mécanique de l’éolienne. Ce couplage induit plusieurs effets négatifs sur le fonctionnement de l’éolienne. Le principal effet est la variation rapide du couple électromagnétique de la génératrice, qui entraîne une augmentation des vibrations de torsion induites dans le système d’entraînement mécanique d’une éolienne. Afin d’atténuer cet effet, l’impact d’un contrôle grid-forming sur une éolienne est étudié et des solutions possibles pour l’amortissement des vibrations sont proposées.Une WPP grid-forming est un moyen intéressant d’améliorer la stabilité du système électrique. Cependant, pour analyser une WPP connecté au réseau de transport d’électricité, il est nécessaire d’utiliser son modèle équivalent dynamique. Les modèles standard équivalents ne peuvent pas être fiables dans toutes les conditions de vent possibles. Pour cette raison, dans cette thèse, l’agrégation d’une WPP est développée en tenant compte de la nature hétérogène de la distribution du vent. De plus, l’algorithme qui recommande le modèle équivalent optimal à utiliser dans chaque condition de vent est proposé. La vérification de la méthodologie d’agrégation et de l’algorithme de recommandation d'un modèle équivalent optimal est effectuée sur l’étude de cas d’une WPP existant

2. "Modelisation des reseaux electriques de basse tension partir d une grande masse de donnees : Applications de methodes d apprentissage automatique pour la surveillance du reseau dans des conditions atmospheriques variables et de vieillissement"
   Egnonnumi Lorraine CODJO, Thèse, Novembre 2022, url, résumé

   Ce projet de recherche explore des approches scientifiques pour la modélisation des réseaux de distribution électrique à partir des données énergétiques mesurées par les compteurs communiquant. Ces compteurs ont été initialement déployés pour permettre la mise en place de tarifs dynamiques et ainsi une participation active des consommateurs sur le marché de l’électricité. Dans ces travaux de recherche, on explore la possibilité d’augmenter l’observabilité sur le fonctionnement du réseau et de déterminer l’état de dégradation physique des lignes et câbles électriques. En exploitant les données mesurées, une méthode heuristique permet de retrouver une architecture du réseau satisfaisant les points de fonctionnement mesurés. Les impédances entre nœuds sont ensuite identifiées. A partir de l’analyse statistique de ces impédances au cours d’une année, l’impact de la température extérieure sur les lignes et câbles du réseau est analysé ainsi que l’impact sur le plan de tension. Les données sont ensuite utilisées pour investiguer l’influence de la dégradation des isolants sur les variations de tensions aux différents nœuds du réseau. Plusieurs techniques d’intelligence artificielle, Machine Learning sont évalués et comparées pour détecter préventivement ces défauts dans les câbles Basse Tension. Pour les réseaux de distribution, les méthodes et outils développés dans cette thèse peuvent aider à maintenir leur fonctionnement, élargir leur capacité d’hébergement (augmentation de la demande pour les ménages, nouveaux consommateurs et sources renouvelables) et permettre la planification rentable des opérations de maintenances.

3. "Grid-forming control strategies of power electronic converters in transmission grids: application to HVDC link"
   Ebrahim ROKROK, Thèse, Juillet 2022, url, résumé

   The rapid development of converter-based devices such as converter-interfaced renewable generations and high-voltage direct-current (HVDC) transmission links is causing a profound change into the very physics of the power system. In this scenario, the power generation is shifted from the pollutant synchronous generators based on nuclear or fossil fuels to converter-based renewable resources. The modeling, control, and stability of the power converters are now one of the focuses of attention for researchers. Today, power converters have the main function of injecting power into the utility grid, while relying on synchronous machines that ensure all system needs (e.g., ancillary services, provision of inertia and reliable power reserves). This operation mode of power converters is called "Grid-following". Grid-following converters have several limitations, such as: inability to operate in a standalone mode, stability issues under weak grids and faulty conditions and also, negative side effect on the system inertia. To tackle these challenges, the grid-forming control as an alternative has shown its appropriate performance that could make this kind of control a promising solution to respond to the system needs and to allow a stable and safe operation of power system with high penetration rate of power electronic converters.
   In this thesis, a fundamental description of grid-forming control with a simplified quasi-static modeling approach aiming to regulate the converter active power by a voltage source behavior is presented. From the description, several variants of gridforming strategies are identified that represent some differences in terms of active power dynamic behavior, inertia emulation capability and system frequency support. Hence, the presented grid-forming variants are then classified according to their capabilities/functionalities. From the small-signal stability and robustness point of view, the studied grid-forming controls, which are implemented to a 2-level VSC at first, show their ability to operate under very weak grid conditions. Moreover, the ancillary services such as inertial response and frequency support are appropriately provided to the AC grid.
   The questions of the grid-forming converters protection against overcurrent and their post-fault synchronization while considering the current limitation are investigated and a new method is proposed to enhance the transient stability of the system. All the obtained results are then extended to a modular multi-level converter (MMC) topology successfully.
   The use of a grid forming control in an HVDC converter is interesting for the grid to which it is connected due to the inertial effect that can be induced. Therefore, the final part of this thesis evaluates the dynamic performance of an HVDC link interconnecting two AC grids and highlights the proper strategy and requirements for inertia provision.

4. "Conception d'un réseau et d'une infrastructure de recharge rapide vehicle-to-vehicle à partir d'une flotte de véhicules partagés"
   Yacine SEHIMI, Thèse, Juillet 2022, url, résumé

   La recharge rapide Vehicle-to-vehicle (V2V) permet de recharger un véhicule électrique en manque d'autonomie en déchargeant partiellement un ou plusieurs véhicules électriques avec un surplus d'énergie. L'utilisation d'une flotte de véhicules électrique partagés pour la décharge permettrait à son gestionnaire de les valoriser lorsqu'ils ne sont pas utilisés pour le transport. De plus, la recharge des véhicules partagés peut se réaliser à une puissance plus faible que la puissance fournie en recharge rapide, ce qui permet de réduire la puissance de raccordement nécessaire au réseau de distribution, et les renforcements éventuels de ce dernier. Cette réduction de l’appel de puissance pourrait par ailleurs limiter l’impact des recharges sur le réseau aux heures de forte demande en électricité.Cette thèse s'inscrit dans une collaboration entre l'Institut Vedecom et le Laboratoire de Génie Electrique et d'Electronique de Puissance (L2EP). Dans une première partie, l’objectif est d'analyser à l’aide d’un modèle de simulation les bénéfices apportés par le V2V pour les acteurs du réseau électrique, à savoir le gestionnaire du réseau de distribution et de transport. Dans un second temps, la conception d'une architecture d'électronique de puissance permettant le pilotage du transfert d'énergie entre les véhicules, ainsi que sa validation expérimentale, sont réalisées

5. "Modélisation et simulation de la consommation énergétique des trains dans le contexte ferroviaire ouvert à la concurrence pour un décompte d’énergie à des fin de facturation"
   Luis-Maria ALONSO, Thèse, Janvier 2022, url, résumé

   A travers différentes directives, l’Union Européenne définit les conditions et modalités de l’ouverture à la concurrence du transport ferroviaire et du marché de l’électricité. Ainsi, les Entreprises Ferroviaires (EF) qui affrètent des trains circulant sur le réseau ferré Français, peuvent s’approvisionner en énergie électrique auprès du fournisseur de leur choix. La juste affectation aux EF, de l’énergie consommée par leur flotte d’engins nécessite des compteurs d’énergie embarqués, communicant vers un système de collecte et de facturation. Face aux enjeux financiers et aux enjeux d’équilibrage du système électrique, RTE et SNCF Réseau doivent garantir une bonne fiabilité du comptage de l’énergie aux EF(s), malgré les dysfonctionnements des compteurs qui ne permettent pas l’exhaustivité des mesures au service d’une consommation effective. Pour répondre à la problématique de la fiabilité des compteurs, des bornes de validation des consommations relevées par les compteurs basés sur des modèles physiques ont été développées. Ces bornes permettent d’augmenter la fiabilité des données de comptage en écartant les mesures aberrantes du point de vue physique. Afin d’améliorer la disponibilité des données de comptage, des estimateurs sont développés dans cette thèse avec comme objectif d’estimer la consommation d’un train pour une circulation donnée, en utilisant une base de données composée par des mesures de compteurs, réalisées sur une ou plusieurs années, validées par les bornes définies précédemment. Les différents estimateurs utilisent en plus diverses sources d’information (temporelles, météo, consommations mesurées dans des sous-stations d’alimentation,…) afin d’améliorer l’estimation de la consommation. Les sources d’information les plus pertinentes sont identifiées, permettant ainsi d’éliminer les sources de bruit. L’impact de l’évolution du réseau ferroviaire vers un smart grid ferroviaire sur la consommation ferroviaire et le comptage de l’énergie est abordé en fin de thèse.

2021

1. "Supervision énergétique des réseaux de distribution intégrant des véhicules électriques, des énergies renouvelables, du stockage et des charges passives pilotables"
   Abderrahman BENCHEKROUN, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   Les réseaux de distribution d'électricité sont depuis plusieurs années au cœur des évolutions énergétiques et environnementales qui touchent nos sociétés. Les clients délaissent progressivement les chauffe-eaux instantanés à gaz pour les ballons d’eau chaude électriques, ainsi que les voitures à carburants fossiles pour les véhicules électriques. D’autre part, la production d’énergie renouvelable commence à constituer une part importante du mix énergétique mais ne concorde pas nécessairement avec la consommation électrique des usagers. Elle peut donc être refoulée vers le reste du réseau de distribution, voire le réseau de transport. Toutes ces évolutions doivent être maitrisées pour éviter un renforcement conséquent des infrastructures du réseau, et limiter les répercussions économiques et environnementales de la
   transition énergétique. Dans ce sens, ces travaux de thèse portent sur la supervision énergétique des réseaux de distribution HTA, en particulier de type rural et péri-urbain, afin d’y encourager la consommation locale des énergies renouvelables et d’optimiser le coût d’acheminement d’énergie pour les gestionnaires du réseau. Les algorithmes développés visent principalement à piloter les charges tels que les véhicules électriques et les ballons d’eau chaude sanitaire raccordés au réseau de distribution. Le système de supervision agit au niveau d’un poste source HTB/HTA et utilise les mesures ainsi que les prévisions de production et de consommation d'énergie afin de piloter les différentes charges disponibles. La stratégie
   proposée prend aussi en compte les contraintes électriques qui peuvent apparaitre sur le réseau à travers une approche de co-simulation entre les logiciels Matlab/Simulink, où la supervision est implémentée, et DIgSILENT PowerFactory, où le réseau de distribution est finement modélisé. Les consignes de supervision sont donc testées et adaptées en temps-réel avant d'être envoyées aux différents utilisateurs. Enfin, le pilotage des producteurs décentralisés est aussi utilisé comme levier supplémentaire pour résoudre une partie des contraintes électriques.

2. "Contribution au Dimensionnement et à la Commande de Convertisseur Extended Overlap Alternate Arm Converter (EO-AAC)"
   Pierre VERMEERSCH, Thèse, Septembre 2021, url, résumé

   La future intégration massive des sources renouvelables dans le réseau électrique crée un besoin fort en interfaces d’électronique de puissance à haute tension. Depuis la création du convertisseur modulaire multiniveau (MMC) au début des années 2000, l’intérêt pour les convertisseurs de type modulaire n’a cessé de croître, au point que de nouvelles structures dérivées du MMC ont été développées. Le sujet de la thèse est le Convertisseur à Demi-Bras Alternés (AAC), une structure de type hybride-modulaire adaptée aux applications haute tension tel que les systèmes HVDC. Parmi les différentes topologies de convertisseurs AAC, l’Extended Overlap-AAC (EO-AAC) a été choisie et analysée. Le travail de thèse est organisé selon trois axes principaux comprenant l’analyse en régime permanent, la synthétisation de la structure de commande ainsi que l’intégration au système, en particulier dans le système HVDC. Le premier chapitre aborde quelques considérations fondamentales sur la conversion AC/DC pour introduire, à travers une approche globale et systématique, cette nouvelle famille de convertisseurs hybrides modulaires dont l’EO-AAC fait partie. Le deuxième chapitre est consacré au dimensionnement de cette topologie. L’estimation du nombre de sous-modules, le dimensionnement des interrupteurs directeurs, l’évaluation des pertes ainsi qu’une analyse approfondie du besoin énergétique afin de dimensionner les condensateurs des sous-modules sont proposés. Ensuite, le troisième chapitre décrit une structure de contrôle pour chaque variable d’état. L’accent est mis sur la gestion de l’énergie en assurant une distribution égale de l’énergie interne du convertisseur entre les piles de SMs. Elle est réalisée par le biais de trois fonctions principales : le contrôle Total, les contrôles d’équilibrage Horizontal et Vertical. À partir de cette structure de gestion de l’énergie, il est mis en évidence que l’EO-AAC peut fournir une dynamique et des services aux systèmes similaires à ceux du MMC. Cette équivalence est prouvée dans la dernier chapitre par l’existence d’un modèle réduit commun dans le repère dq0 suggérant la possibilité d’inclure les EO-AAC dans l’analyse de stabilité des grands systèmes. Enfin, tous les modèles et contrôleurs sont rassemblés pour réaliser l’étude des EO-AAC connectés au réseau et ses performances sont comparées au MMC en termes de réponse dynamique.

3. "Optimisation de l’autoconsommation dans une communauté énergétique locale via une blockchain"
   Matthieu STEPHANT, Thèse, Mai 2021, url, résumé

   Avec l’insertion des sources d’énergie renouvelables au sein des réseaux de distribution, de nouveaux
   schémas de consommation et d’échange de l’énergie électrique se développent. C’est le cas des
   communautés ´énergétiques renouvelables, dans lesquelles des producteurs et consommateurs se partagent
   l'électricité localement produite, dans le but d’améliorer l’autoconsommation en valorisant et
   en agrégeant la flexibilité des utilisateurs. Le déploiement à grande échelle de ces opérations requiert
   la mise en place de méthodes de gestion de l’énergie pour coordonner les participants et ajuster la
   consommation `a la production.
   Pour répondre à cette problématique, cette thèse présente une méthode distribuée de gestion des
   échanges au sein d’une communauté énergétique, décomposée en trois parties. D’abord, un modèle
   mathématique, basé sur la théorie des jeux, est utilisé pour décrire le comportement des acteurs, en
   intégrant des notions de confort, et de sensibilité à l’origine de l’´électricité en plus d’aspects économiques.
   Ceux-ci optimisent leur consommation ou production en fonction de leurs préférences individuelles.
   Ensuite, un algorithme d’optimisation ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers)
   est utilisé pour maximiser l’utilité globale de la communauté tout en respectant des contraintes appliquées à l’ensemble des acteurs. Dans un deuxième temps, un modèle électrique est construit pour intégrer les contraintes physiques des lignes dans la stratégie de gestion et permet en particulier de surveiller le niveau de tension ainsi que la charge des lignes. Enfin, une solution informatique basée sur une blockchain locale est utilisée pour implémenter de façon pratique ce modèle d’échanges. L’architecture distribuée de cette technologie permet aux utilisateurs eux-mêmes de trouver un consensus,
   en se passant d’un agent central.
   Ces trois outils (modèle mathématique, blockchain et modèle ´électrique) constituent une approche
   globale pertinente pour l’optimisation des échanges d’´énergie au sein d’une communauté. Le caractère
   distribué de cette approche garantit aux utilisateurs une liberté d’action et une protection de leurs
   données.
   Mots-clés : Communautés énergétiques, Autoconsommation collective, Blockchain, Optimisation
   distribuée, ADMM.

2020

1. "Stochastic Optimization for Generation Scheduling in a Local Energy Community under Renewable Energy Uncertainty"
   Xin WEN, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   In electrical systems, the unit commitment (UC) and power scheduling plan the operating of generating units in order to satisfy the load demand under system operating constraints. Nowadays, energy communities have emerged with individual community energy requirements and increasing capacity deployment of distributed energy resources. The high penetration of renewable energy sources (RES) and load demand increase locally the power system uncertainty. Hence, traditional deterministic approaches for one day ahead UC should evolve to stochastic optimization methods. The main goal of this thesis is to propose a probability-based and stochastic optimization methodology for optimal generation and operating power reserve (OR) scheduling decisions in an urban microgrid, with the objective of addressing the minimization of operating costs and emissions. Based on an uncertainty modelling with forecasting error distributions, a LOLP-based risk assessment method is used to determine an appropriate amount of OR for each time step of the next day.
   Then, in the first stage, a deterministic optimization within a mixed-integer linear programming method generates the unit commitment of controllable generators with the day-ahead PV and load demand prediction. In the second stage, a set of scenario is built to model future and probable uncertainties. It is integrated into a stochastic optimization of the operational planning. Issues of the second stage are the commitment of enough flexible and fast generators to handle unexpected deviations from predictions. In order to decrease emissions, the scheduling and operational planning of local storage systems for OR provision are considered ; the PV self-consumption is increased and operational cost are decreased. The significance of the proposed methodology is illustrated with results obtained from a studied urban microgrid system. A user-friendly Supervisory Control And Data Acquisition system is developed with the Matlab GUI to integrate and visualize the energy management operation.
   Mots-clés : Stochastic optimization, uncertainty, unit commitment (generation scheduling), energy management system, power reserve, renewable energy, microgrid

2. "Grid-forming control to achieve a 100% power electronics interfaced power transmission systems"
   Taoufik QORIA, Thèse, Novembre 2020, url, résumé

   Le développement rapide de la production d'énergie renouvelable intermittente et des liaisons HVDC entraîne une augmentation importante du taux de pénétration des convertisseurs statiques dans les réseaux de transport. Aujourd'hui, les convertisseurs statiques ont pour fonction principale d'injecter une puissance dans le réseau tout en s'appuyant sur des machines synchrones qui garantissent tous les besoins du système électrique. Ce mode de fonctionnement est appelé «Grid-following». Les convertisseurs contrôlés en Grid-following ont plusieurs limitations: leur incapacité à fonctionner en mode autonome, leurs problèmes de stabilité dans des réseaux faibles et en cas de défaut ainsi que leur effet négatif sur l'inertie équivalent du système. Pour relever ces défis, le contrôle en Grid-forming est une bonne solution pour répondre aux besoins du système électrique et permettre un fonctionnement stable et sûr du système même avec un taux de pénétration des convertisseurs statique de 100%. Tout d'abord, trois stratégies de contrôle en Grid-forming sont proposées pour garantir quatre fonctionnalités principales: contrôle de tension, contrôle de puissance, émulation d'inertie et le support de la fréquence. La dynamique et la robustesse du système basées sur chaque contrôle ont été analysées et discutées. Ensuite, selon la topologie du convertisseur, la connexion avec le réseau AC peut nécessiter des filtres et des boucles de contrôle supplémentaires. Dans le cadre de cette thèse, deux topologies de convertisseur ont été envisagées (VSC à 2-niveaux et VSC-MMC) et l'implémentation associée à chacune a été discutée. Enfin, les questions de la protection des convertisseurs Grid-forming contre les surintensités et leur synchronisation post-défaut ont été étudiées, puis, des algorithmes de limitation de courant et de resynchronisation ont été proposés pour améliorer la stabilité transitoire du système. Un banc d'essai a été développé pour confirmer les approches théoriques proposées.

3. "Stability of power systems with high penetration of sources interfaced by power electronics"
   Guilherme SANTOS PEREIRA, Thèse, Novembre 2020, url, résumé

   L’insertion massive de sources interfacées par Électronique de Puissance (EP) dans le réseau va induire de grands défis techniques à surmonter pour garantir la stabilité du système électrique. L’une des principales préoccupations tient aux caractéristiques de ces sources, qui sont différentes de celles des Machines Synchrones (MS). Ce travail apporte un éclairage supplémentaire sur l’effet de l’insertion massive des sources interfacées par EP dans le système électrique, plus spécifiquement sur l’évolution du comportement de la fréquence de ces systèmes. Pour y répondre, un ensemble d’outils et de méthodes s’inspirant des fondamentaux des systèmes basés sur la production d’électricité avec les MSs a été développé. Des modèles d’ordre réduit des sources interfacées par EP se comportant comme sources de tension ou de courant sont proposés. Comme ces représentations partagent la même approche théorique que les modèles de MSs, il est ensuite possible de les fusionner en vue de l’analyse des systèmes électriques quelconques, indépendamment leur complexité. Les systèmes d’ordre réduit peuvent soit être modélisés en représentant chaque source ou bien en utilisant le concept des zones synchrones, ce qui offre une grande flexibilité d’analyse. Avec une approche progressive, le comportement de la fréquence des systèmes académiques relevé avec la méthodologie proposée est analysé en profondeur et comparé avec celui obtenu avec des modèles détaillés. L’approche développée dans ce travail peut être utilisée pour déterminer l’impact du ratio de pénétration des sources interfacées par EP sur le comportement global de la fréquence, mais aussi pour évaluer les oscillations intra et interzones des différents systèmes électriques.

4. "Modélisation et estimation de paramètres des réseaux de distribution basse tension"
   Ferreol BINOT, Ph.D. Thesis, Octobre 2020, url, résumé

   Le développement des nouveaux usages, poussé par des exigences de transition énergétique, principalement sur les réseaux basse tension (BT) nécessite de développer des outils toujours plus innovants de conduite et de planification des réseaux. Le développement de ces nouveaux outils nécessite une très bonne connaissance de l’état et des paramètres réels des réseaux BT. Les travaux de cette thèse se focalisent donc sur le développement d’algorithmes d’estimation d’état (EE) et de paramètres (EP) dédiés aux réseaux BT.Pour mener à bien le développement de ces algorithmes, nous avons amélioré la caractérisation et la modélisation des câbles BT en prenant en compte l’impact des paramètres extérieurs sur la matrice d’impédance et sur le plan de tension. Ce modèle utilise la matrice d’impédance 4×4 et prend en compte les résistances de mise à la terre. Cette étude servira de brique de base pour les deux algorithmes.L’algorithme d’EE s’appuie sur l’algorithme des WLS et de la méthode de la matrice augmentée. Pour son développement, nous avons adapté ses grandeurs pour qu’elles prennent en compte les particularités des réseaux BT. Cet algorithme permet d’obtenir une précision accrue du plan de tension (incluant la tension neutre-terre) du réseau et donne de résultats précis même en cas d’erreurs ou de suppressions de mesure. L’algorithme va permettre d’améliorer la conduite des réseaux BT. L’algorithme d’EP, qui s’appuie sur l’algorithme du vecteur augmenté, permet d’estimer à la fois les longueurs des liaisons mais aussi directement les conditions extérieures (température du conducteur). Cet algorithme permet ainsi de corriger les données présentes dans les systèmes d’information géographique et de parfaitement connaître la topologie du réseau. Ainsi, la planification et la conduite des réseaux BT seront plus aisées même avec le développement des nouveaux usages.

5. "Contributions pour le positionnement de la méthode de forme normale comme outil d'analyse de future système d'alimentation"
   Nnaemeka UGWUANYI, Thèse, Juin 2020, url, résumé

   Compte tenu de plusieurs contraintes économiques, techniques et environnementales, les systèmes électriques actuels fonctionnent très près de leurs limites, ce qui fait qu'ils présentent de plus en plus des comportements non linéaires. De plus, le transfert d'une grande quantité d'énergie sur de longues distances n'est pas rare aujourd’hui, cela conduit à des interactions non linéaires, conduisant à un réel défit; celui de l'utilisation des outils traditionnels d'analyse du système électrique en présence de fortes non linéarités. En outre, la forte pénétration des énergies renouvelables et de l'électronique de puissance qui l'accompagne viennent augmenter ces non linéarités du système électrique. En conséquence, les outils d'analyse modale bien établis utilisés par le passé deviennent insuffisants pour l'analyse du système électrique aujourd’hui et celui du futur; d'où le besoin d'outils alternatifs. L'inclusion de termes d'ordres supérieurs dans l'analyse modale, possible avec la méthode de forme normale (NF), augmente les informations qu'elle fournit et permet de mieux étudier les aspects dynamiques sur un système d'alimentation présentant un comportement fortement non linéaire. Cependant, la méthode NF nécessite au préalable la décomposition de Taylor du système non linéaire, qui produit plusieurs matrices et coefficients de Hesse d'ordre supérieur, une opération non réalisable avec les méthodes standard lorsque l'on considère les systèmes à grande échelle. Dans cette thèse, pour répondre à cette problématique, une méthode numérique efficace pour accélérer ces calculs, en évitant l'expansion de Taylor habituelle, est développée. Les nouveaux calculs consistent à définir les vecteurs propres linéaires comme champ inconnu dans le système non linéaire initial, ce qui conduit à résoudre des équations linéaires uniquement pour obtenir tous les coefficients nécessaires. De cette façon, le calcul du modèle non linéaire jusqu'au troisième ordre et l'analyse modale non linéaire deviennent simples et réalisables avec un temps de calcul raisonnable. De plus, des indices basés sur la NF pour la stabilité du système électrique et la surveillance du fonctionnement sont proposés et testés sur plusieurs systèmes.

2019

1. "ModAICSS - Modélisation de l’acceptation et de l’implication de producteurs et consommateurs d’énergie électrique en vue d’une stratégie de supervision énergétique multi-acteurs"
   Benoit DURILLON, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   Les défis environnementaux auxquels nous sommes confrontés impliquent de consommer moins, plus efficacement, et de produire de manière moins impactante. D'un point de vue électrique, la gestion d'énergie dans les réseaux est un des points cruciaux pour atteindre la meilleure efficacité possible tout en augmentant la pénétration d'énergies renouvelables, garante d'une production moins polluante. L'ensemble des acteurs du réseau doit donc prendre part à l'équilibre du réseau, tout en ayant leurs sensibilités et contraintes respectées. Cette prise en compte des acteurs est en effet un gage d'acceptation et d'implication de ceux-ci.
   
   Ce travail se veut exploratoire, par la définition et la compréhension des acteurs du réseau électrique dans un premier temps, puis par la réflexion sur l'intégration de leurs profils dans un superviseur énergétique. Le génie électrique seul ne permettant pas de répondre entièrement à cette problématique, l'apport des sciences humaines et sociales a été sollicité. Cette thèse a donc un fort caractère interdisciplinaire, illustré par la coopération avec des chercheur·es en sociologie et économie impliqué·es dans son encadrement.
   
   Le résultat de ces recherches est une méthodologie en 3 étapes, applicable à tous les acteurs du réseau. La première étape est la définition des profils d'acteurs. La deuxième est la première brique du superviseur énergétique, optimisant les productions/consommations la veille pour le lendemain. Enfin, la troisième étape est la partie temps réel du superviseur, ajustant au cours de la journée les productions/consommations. Cette thèse se décompose en deux parties distinctes: d'un côté la méthodologie présentant le détail des étapes et des approches choisies, et de l'autre l'application de cette méthode à un cas d'étude résidentiel

2. "Gestion des flux énergétiques d'une ferme éolienne offshore connectée à un système HVDC au travers d'un redresseur à diodes"
   Ragavendran RAMACHANDRAN, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   La transition énergétique pour un monde plus durable est désormais la priorité de nombreux pays. Dans cet objectif, notamment en Europe, le développement de l’énergie éolienne en mer (offshore) a été rapide. Le transport de l’électricité en Courant Continu Haute Tension (HVDC) basé sur un convertisseur électronique à source de tension (VSC) est la solution de transport, pour les fermes éoliennes en mer éloignées de plus de 50 km de la côte. La solution d’un redresseur à diodes dans les stations de conversion en mer est plus compacte, robuste et moins cher. Cette thèse porte sur les divers problèmes technologiques et scientifiques liés au contrôle du réseau alternatif isolé en mer permettant le raccordement des fermes éoliennes. Ces verrous sont d’abord examinés en détail dans l’état de l’art. Ensuite, une organisation du contrôle de la tension et de la fréquence de ce réseau (dit Grid Forming) est proposée en utilisant les caractéristiques techniques P-V et Q-f avec une solution pour la synchronisation entre les éoliennes. Certaines des solutions de contrôle en Grid Forming sont comparées et évaluées à l'aide de simulations dans le domaine temporel, pour un cas d'étude donné. Puis, une nouvelle solution est proposée pour le démarrage du réseau offshore (black start) et un contrôle automatisé de la supervision, basé sur la modélisation sous forme d’un système à événements discrets (SED). La théorie du contrôle par supervision (TCS) est implémentée et testée pour un cas d'étude. Ensuite, les différents types de défauts du système sont analysés à l’aide de la littérature; et le schéma de contrôle du Grid Forming conçu dans cette thèse est complétée pour apporter une capacité de fonctionnement lors d’un défaut du réseau AC offshore. Enfin, une brève analyse est faite sur les défis pour l’intégration de ce type de ferme au réseau MTDC.

3. "Control of distributed energy resources for primary response of grid-interactive micro-grids"
   Martin LEGRY, Thèse, Septembre 2019, url, résumé

   Ces travaux portent sur la commande d’un micro-réseau interactif pour fournir des services système à un réseau électrique faible, et plus particulièrement une réponse primaire en fréquence et en tension au point d’interconnection (PCC). Le premier objectif de cette thèse est de superviser un micro-réseau afin d’assurer un fonctionnement stable tout en respectant les objectifs économiques définis par un optimiseur externe.Dans un second temps, une nouvelle méthodologie en trois étapes a été mise au point. Premièrement, pour fournir les services auxiliaires au PCC, il est nécessaire d’estimer et de coordonner les flexibilités des différents équipements tels que les générateurs d’énergie distribués, les énergies renouvelables, les stockages, etc. Un algorithme d’optimisation est proposé pour l’agrégation de ces flexibilités afin de déterminer les flux de puissance active et réactive maximum que le micro-réseau peut fournir. La deuxième étape détermine le comportement possible du micro-réseau à son PCC. Enfin, deux nouveaux algorithmes de contrôle ont été développés pour assurer un comportement de type statisme au PCC.Une première solution, basée sur un superviseur centralisé et la commande prédictive, assure un ajustement en temps réel des points de consigne. La seconde est une solution distribuée qui détermine de nouvelles lois de contrôle locales primaires pour les différents actionneurs. L’efficacité des deux architectures de contrôle a été validée par simulation sur un modèle de micro-réseau de référence.
   
   This work focuses on the control of a grid-interactive micro-grid to provide ancillary services to a weak power system, and more particularly a primary frequency and voltage response at the point of common coupling (PCC). The first objective of this thesis is to supervise a micro-grid in order to ensure stable operation while enforcing the economic objectives defined by an external optimizer.Then, a novel three-step methodology has been developed. First, to provide the ancillary services at the PCC, it is necessary to estimate and coordinate the flexibility of heterogeneous equipment such as distributed generators, renewables, storages, etc. An optimization algorithm is proposed for the aggregation of these flexibilities to deduce the maximum active and reactive power flows that the micro-grid can provide. The second step determines the possible behavior of the micro-grid at its PCC. Finally, two new control algorithms have been developed to ensure a droop-like behavior at the PCC. A first solution, based on a centralized Model Predictive Control based supervisor, ensures a real-time adjustment of the set-points. The second one is a distributed solution that determines new primary local control laws for DERs. The effectiveness of the two control architectures has been validated by simulation with a benchmark micro-grid model.

4. "Outils et Méthodes pour l’Analyse et la Simulation de Réseaux de Transport 100% Électronique de Puissance"
   Quentin COSSART, Thèse, Septembre 2019, url, résumé

   Outils et Méthodes pour l’Analyse et la Simulation de Réseaux de Transport 100%
   Electronique de Puissance
   
   RESUME :
   
   Le développement des énergies renouvelables et des liaisons HVDC conduit à une
   augmentation de la pénétration de l’électronique de puissance dans les réseaux de
   transport d’électricité. Comme les convertisseurs possèdent des propriétés
   physiques différentes de celles des alternateurs synchrones, une évolution des
   contrôles employés s’avère nécessaire. Au vu de la taille des ensembles à simuler, la
   validation de solutions innovantes doit être réalisée par des simulations
   numériques et il est nécessaire d’être vigilant sur les outils utilisés afin d’éviter des
   temps de calcul prohibitifs. Dans cette thèse, des outils et des méthodes pour
   l’analyse et la simulation de réseaux de transport 100 % électronique de puissance
   sont développés. Une partie importante des travaux est consacrée à la modélisation
   des convertisseurs, ce qui permet de réaliser des simulations numériques plus ou
   moins précises en fonction du cahier des charges de l’étude et d’appliquer ou de
   développer des méthodes d’analyse de stabilité. Un modèle simplifié du réseau
   Irlandais est utilisé comme réseau exemple de façon à valider les méthodes et outils
   développés dans le cadre de la thèse.
   
   Mots clés : Analyse des réseaux de transport, 100% Électronique de Puissance,
   Simulation de réseaux électriques, Réduction de modèles
   
   Tools and Methods for the Analysis and Simulation of Large Transmission
   Systems Using 100% Power Electronics
   
   ABSTRACT:
   
   The development of renewable generation and HVDC links lead to an important
   increase of the penetration of power electronics in the transmission systems. As
   Power Electronics converters have completely different physical behavior than
   synchronous machines, an evolution in the way TSOs control transmission systems
   is needed. It is impossible to build a real size prototype of a transmission system.
   The validation of the solutions must be done using dynamic numerical simulations.
   Because of the size of the studied systems, we have to be careful with the
   simulation tools that we use, in order to reduce the computation time. In this PhD
   tools and methods for the analysis and simulation of large transmission systems
   using 100% power electronics are developed. An important part of the work looks
   at the models of the converters. Those models allow us to do numerical simulations
   and to apply and develop stability and performance analysis methods for the
   considered system. A simple model of the Irish network will be used as an example
   in order to assess the developed methods.
   
   Keywords : Power Systems Analysis, 100% Power Electronics, Power System
   Simulation, Model order reduction

5. "A DC-DC power converter study for High Voltage Direct Current (HVDC) grid: Model and control of the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC)"
   Yafang LI, Thèse, Juillet 2019, url, résumé

   This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the Modular Multilevel DC-DC Converter (M2DC).
   Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC.

2018

1. "Intégration des incertitudes liées aux prévisions de consommation et de production à la gestion prévisionnelle d’un réseau de distribution"
   Jérôme BUIRE, Thèse, Décembre 2018, url, résumé

   L’évolution des techniques de gestion des réseaux de distribution imposée par les codes de réseaux européens nécessite une connaissance de plus en plus approfondie de leur comportement. La gestion prévisionnelle de ces réseaux implique de prendre en compte la volatilité des énergies renouvelables et les capacités de prévision à l’horizon J-1 de la consommation et de la production. En effet, les valeurs déterministes les plus probables des prévisions ne sont plus suffisantes pour pouvoir prédire et gérer à l’avance un réseau. Une modélisation et une optimisation stochastiques permettent un choix, au plus juste, de paramètres de contrôle, par rapport au risque acceptable de surtensions.
   Les travaux de thèse se concentrent sur l’étude et la prise en compte, dans la modélisation et l’optimisation des réseaux, des incertitudes matérielles et fonctionnelles des réseaux de distribution. Une modélisation stochastique de réseau est proposée, elle intègre les incertitudes liées au régleur en charge et aux prévisions de consommation et de production. En fonctionnement, les tensions aux nœuds et la puissance réactive transitant vers le réseau de transport varient de manière non uniforme. Les contrôleurs des productions réactives des générateurs, le régleur en charge et les gradins de condensateurs permettent de limiter ces fluctuations et de respecter les exigences contractuelles. Industriellement, les contrôleurs locaux des générateurs sont caractérisés par des lois de commande linéaires ou linéaires par morceaux. En effectuant des hypothèses sur la nature stochastique des prévisions de production et de consommation, on peut montrer que les tensions aux nœuds sont des variables gaussiennes ou des sommes de variables gaussiennes par morceaux. Une optimisation stochastique basée sur ces modèles permet de choisir les paramètres des contrôleurs qui minimisent les risques de surtension et des efforts de générateurs, sans avoir à mettre en œuvre des méthodes coûteuses en temps de calcul de type Monte Carlo.

2. "Novel control techniques in multiphase drives : direct control methods (DTC and MPC) under limit situations"
   Mario BERMUDEZ GUZMAN, Thèse, Décembre 2018, url, résumé

   Les entraînements électriques polyphasés ont acquis une importance particulière ces derniers temps pour leur utilisation dans des applications où la fiabilité présente un intérêt pour des raisons économiques et de sécurité. Cette thèse se centre sur le développement de techniques de commande en mode instantané pour contrôler de manière optimale les machines polyphasées, en analysant leur tolérance dans différentes conditions de fonctionnement, telles que lors de l’atteinte de limites électriques (limites de tension, de courant et de niveau maximum de magnétisation) ou de défauts de type phase ouverte. Tout d’abord, la technique DTC est proposée pour gérer le cas de défaut de type phase ouverte dans la machine polyphasée. Une comparaison de la tolérance à la défaillance des commandes de type DTC par rapport à d’autres techniques de commande est réalisée, permettant une conclusion sur les forces et les faiblesses des méthodes analysées. Enfin, un contrôleur de courant optimal est développé utilisant des techniques MPC permettant une utilisation optimale de la capacité de couple du système en cas de limitations électriques. Des résultats de simulation et des validations expérimentales sont effectués pour corroborer les approches initiales, en utilisant des cas particuliers d’entraînements pentaphasés commandés avec différents sous-espaces de commande dans le domaine fréquentiel.

2017

1. "Analysis and Performance Enhancement of a Series Parallel Offshore Wind Farm Topology Integrated into a HVDC Grid"
   Haibo ZHANG, Université de Lille, Décembre 2017, url, résumé

   The exploitation of the abundant offshore wind energy far from the coast relies on the High Voltage Direct Current (HVDC) transmission which requires a dedicated offshore substation for converting power from AC into DC. The investment on the bulky offshore platform is high and its installation is complicated.
   This thesis deals with a pure DC offshore wind farm topology which exports its energy to onshore without using an offshore centralized power conversion substation. This wind farm is called Series Parallel Wind Farm (SPWF), which is comprised of several clusters of wind turbines interconnected in series, so that the output converters of the wind turbines step up the voltage to be high enough for direct power transmission. However, the series connection indicates that the independent operation of wind turbines becomes impossible. Unbalanced power production of wind turbines due to uneven wind speed distributed in the wind farm leads to wind turbines output voltage variation.
   The overvoltage limitation control strategy is then developed to ensure safe operation of the series connected wind turbines. It is first validated by being applied to a Point-to-Point (P2P) system using Multilevel Modular Converter (MMC) based HVDC transmission. After that, the SPWF is integrated into different Multi-Terminal DC (MTDC) systems. The results validate the feasibility of proposed strategy, and show its advantage that no power curtailment is required to limit the wind turbines output voltage.

2. "Analyse de stabilité en petit signaux des Convertisseurs Modulaires Multiniveaux et application à l’étude des MMC dans des Réseaux HVDC"
   Julian FREYTES, Centrale Lille, Décembre 2017, url, résumé

   Analyse de stabilité en petit signaux des Convertisseurs Modulaires Multiniveaux
   et application à l’étude des MMC dans des Réseaux HVDC
   Ces travaux de thèse portent essentiellement sur la modélisation, l’analyse et la commande
   des convertisseurs de type MMC intégrés dans un contexte MTDC. Le premier objectif de ce
   travail est d’aboutir à un modèle dynamique du convertisseur MMC, exprimé dans le repère
   dq, permettant d’une part, de reproduire avec précision les interactions AC-DC, et d’exprimer,
   d’autre part, la dynamique interne du convertisseur qui peut interagir également avec le reste
   du système. Le modèle développé peut être linéarisé facilement dans le but de l’exploiter pour
   l’étude de stabilité en se basant sur les techniques pour les systèmes linéaires à temps invariant.
   Ensuite, selon le modèle développé dans le repère dq, différentes stratégies de contrôle sont
   proposées en fonction de systèmes de contrôle-commande existantes dans la littérature mis
   en places pour le convertisseur MMC. Étant donné que l’ordre du système est un paramètre
   important pour l’étude des réseaux MTDC en présence de plusieurs stations de conversion de
   type MMC, l’approche de réduction de modèles à émerger comme une solution pour faciliter
   l’étude. En conséquence, différents modèles à ordre réduit sont développés, et qui sont validés
   par la suite, par rapport au modèle détaillé, exprimé dans le repère dq. Finalement, les modèles
   MMC développés ainsi que les systèmes de commande qui y ont associés sont exploités, pour
   l’analyse de stabilité en petits signaux des réseaux MMC-MTDC. Dans ce sens, la stratégie
   de commande associée à chaque MMC est largement évaluée dans le but d’investiguer les
   problèmes majeurs qui peuvent surgir au sein d’une configuration MTDC multi-constructeurs.
   Mots clés
   «Réseaux à courant continu multi-terminaux», «Convertisseur modulaire multiniveaux», «Modélisation
   dans l’espace d’états», «Stabilité en pétits signaux».
   Small-signal stability analysis of Modular Multilevel Converters and application
   to MMC-based Multi-Terminal DC grids
   This thesis deals with the modeling and control of MMCs in the context of MTDC. The first
   objective is to obtain an MMC model in dq frame which can reproduce accurately the AC- and
   DC- interactions, while representing at the same time the internal dynamics which may interact
   with the rest of the system. This model is suitable for linearization and stability studies, among
   other linear techniques. Then, based on the developed dq model, different control strategies are
   developed based on state-of-the-art MMC controllers. Since the dimension of the system is a
   limiting factor for studying MTDC grids with many MMCs, different reduced-order models are
   presented and compared with the detailed dq model. Finally, the developed MMC models with
   different controllers are used for the MTDC studies. The impact of the selected controllers
   for each MMC is evaluated to highlight the potential issues that may occur in multivendor
   schemes.
   Keywords
   «HVDC transmission», «Modular multilevel converter», «State-Space modeling», «SmallSignal
   stability analysis», «Interoperability in MTDC grids».

3. "Control and Energy Management of MMC-based Multi-Terminal HVDC Grids"
   Kosei SHINODA, Centrale Lille, Novembre 2017, url, résumé

   Cette thèse porte sur la commande de réseaux multi-terminaux à courant continu (MTDC) basés sur des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs).Tout d’abord, notre attention se focalise sur l'énergie stockée en interne dans le MMC qui constitue un degré de liberté additionnel apporté par sa topologie complexe. Afin d’en tirer le meilleur parti, les limites de l’énergie interne sont formulées mathématiquement.Afin de maîtriser la dynamique de la tension DC, l’utilisation de ce nouveau degré de liberté s’avère d’une grande importance. Par conséquent, une nouvelle de stratégie de commande, nommée «Virtual Capacitor Control», est proposée. Cette nouvelle méthode de contrôle permet au MMC de se comporter comme s’il possédait un condensateur de taille réglable aux bornes, contribuant ainsi à l’atténuation des fluctuations de la tension DC.Enfin, la portée de l’étude est étendue au réseau MTDC. L'un des défis majeurs pour un tel système est de faire face à une perte soudaine d'une station de convertisseur qui peut entraîner une grande variation de la tension du système. A cet effet, la méthode de statisme de tension est la plus couramment utilisée. Cependant, l'analyse montre que l'action de contrôle souhaitée risque de ne pas être réalisée lorsque la marge disponible de réserve de puissance du convertisseur est insuffisante. Nous proposons donc une nouvelle structure de contrôle de la tension qui permet de fournir différentes actions en fonction du signe de l'écart de la tension suite à une perturbation, associée à un algorithme qui détermine les paramètres de statisme en tenant compte du point de fonctionnement et de la réserve disponible à chaque station.
   
   Convertisseurs modulaires multiniveaux (MMCs), Transmission à haute tension courant continu (HVDC), Réseaux multi- terminaux DC (MTDC), Commande de convertisseur, Gestion de l'énergie, Réglage primaire de tension, Statisme de tension, Modélisation, Convertisseurs multiniveaux, Réseaux électriques (énergie), Modèles mathématiques, Réseaux électriques (circuits), Énergie gestion, Électronique de puissance
   
   Control and energy management of MMC-based multi-terminal HVDC grids
   
   The scope of this thesis includes control and management of the Modular Multilevel Converter (MMC)-based Multi-Terminal Direct Current (MTDC).At first, our focus is paid on the internally stored energy, which is the important additional degree of freedom brought by the complex topology of MMC. In order to draw out the utmost of this additional degree of freedom, an in-depth analysis of the limits of this internally stored energy is carried out, and they are mathematically formulated.Then, this degree of freedom of the MMC is used to provide a completely new solution to improve the DC voltage dynamics. A novel control strategy, named Virtual Capacitor Control, is proposed. Under this control, the MMC behaves as if there were a physical capacitor whose size is adjustable. Thus, it is possible to virtually increase the equivalent capacitance of the DC grid to mitigate the DC voltage fluctuations in MTDC systems.Finally, the scope is extended to MMC-based MTDC grid. One of the crucial challenges for such system is to cope with a sudden loss of a converter station which may lead to a great variation of the system voltage. The voltage droop method is commonly used for this purpose. The analysis shows that the desired control action may not be exerted when the available headroom of the converter stations are insufficient. We thus propose a novel voltage droop control structure which permits to provide different actions depending on the sign of DC voltage deviation caused by the disturbance of system voltage as well as an algorithm that determines the droop parameters taking into account the operating point and the available headroom of each station.
   
   Modular multilevel converters (MMCs), High-voltage direct current (HVDC) transmission, Multi-terminal DC (MTDC) grid, Converter control, Energy management, Primary voltage control, Voltage droop control, Modeling

4. "Déduction et mise en œuvre de stratégies de commande de réseaux électriques sans machines synchrones"
   Guillaume DENIS, Centrale Lille, Novembre 2017, url, résumé

   -

5. "Environnement d’aide à la décision pour les réseaux électriques de raccordement des fermes éoliennes en mer : conception et évaluation robuste sous incertitudes."
   Swann GASNIER, Mémoire de thèse, Novembre 2017, url, résumé

   L’énergie éolienne en mer connaît une croissance forte. Sa compétitivité économique, mesurée par le LCOE (coût d’énergie actualisé), n’a pas encore atteint celle de l’éolien terrestre. Le coût du raccordement électrique affecte cette compétitivité. Selon la distance et la puissance d’une ferme éolienne en mer, un panel important d’architectures et technologies de réseau de raccordement peut être considéré (AC ou DC etc.). L’objectif de cette thèse est de fournir un cadre méthodologique décisionnel pour l’évaluation et la planification de l’architecture du réseau de raccordement. L’évaluation des architectures repose sur les calculs des énergies annuelles dissipée dans le réseau, des coûts d’investissement du réseau et de l’énergie non distribuée conséquente de la fiabilité du réseau. Pour calculer ces quantités, des modèles et méthodes de calculs sont proposés. Il apparaît néanmoins nécessaire d’évaluer et de comparer des architectures ayant des dimensionnement optimaux. Ainsi, une formulation du problème de dimensionnement du réseau est proposée. La formulation est générique vis-à-vis des différentes architectures considérées. Une méthode de résolution heuristique rapide donnant des solutions quasi-optimales est mise en œuvre. L’environnement d’aide à la décision qui permet le dimensionnement puis l’évaluation d’une architecture est mis en œuvre sur plusieurs cas d’application incluant des architectures très différentes. Finalement, une méthode probabiliste analytique est proposée afin de prendre en compte les incertitudes sur les modèles et leurs propagations aux critères de décision.

6. "Gestion énergétique sous incertitude: Application à la planification et à l'allocation de réserve dans un micro réseau électrique urbain comportant des générateurs photovoltaïques actifs et du stockage Energy management under uncertainty: Application to the day-ahead planning and power reserve allocation of an urban microgrid with active photovoltaic generators and storages"
   Xingyu YAN, Mémoire de thèse, Mai 2017, url, résumé

   Le développement massif des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux électriques affecte leur fonctionnement. En raison des limitations technologiques et des investissements nécessaires pour maintenir le niveau de sécurité électrique actuel, les questions liées à la stabilité statique et dynamique pourraient arrêter le développement de ces sources. Le sujet de la thèse est de développer un outil pour mesurer l'incertitude sur la disponibilité de la puissance produite par les générateurs photovoltaïques dans un microréseau urbain. L'incertitude est modélisée à partir de l' étude de la nature incertaine de la production PV et de la charge. Avec des méthodes stochastiques, la puissance de réserve (OR) est calculée un jour en avance en tenant compte d'un indice de risque associé. Ensuite, l'OR est répartie sur différents générateurs locaux (générateurs photovoltaïques actifs contenant du stockage distribué et micro-turbines à gaz). Afin de minimiser le coût opérationnel total et/ou les émissions équivalentes de CO2, une planification optimale et une répartition quotidienne de l'OR dans les différents générateurs sont mises en œuvre. Enfin, un outil logiciel est développé pour conceptualiser cette planification opérationnelle du système électrique réalisée la veille pour le lendemain.
   
   The massive development of intermittent renewable energy technologies in power systems affects the operation of electrical systems. Due to technical limitations and investments needed to maintain the current electrical security level, issues related to dispatching, static and dynamic stability could stop the development of these distributed renewable energy sources (RES). The subject of the PhD is to develop a tool to study the uncertainties of PV power and load forecasting in an urban network. With stochastic methods, the day-ahead operating reserve (OR) is quantified by taking into account an associated reliability risk index. Then the OR is dispatched into different power generators (active PV generators and micro gas turbines). To minimize the microgrid total operational cost and/or equivalent CO2 emissions, day-ahead optimal operational planning and dispatching of the OR into different power generators is implemented. Finally, a freeware “A User-friendly Energy Management System and Operational Planning Supervisor” is developed on the Matlab GUI to conceptualize the overall system operation.

2016

1. "Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration dans le Réseau Electrique"
   Shabab SAMIMI, Centrale Lille, Novembre 2016, url, résumé

   0
   C. CABLE
   C.1. Cable data
   Each DC transmission is associated with two cables, one for the positive pole and one for
   the negative pole. They are buried beneath the ground. Electrical data are calculated thanks to the
   EMTP-RV® routine, main parameters are summarized in Table C-1.
   Table C-1 : Cable parameters (calculated at 10 µHz)
   Cable 320 kV 2500 mm² Cable 320 kV 500 mm²
   Cable section [mm²] 2500 500
   Nominal current [A] 1800 – 2700 700 – 1100
   Core resistance [mΩ/km] 5.3 3.1
   Screen resistance [mΩ/km] 60.2 88.2
   Core inductance [mH/km] 3.6 3.8
   Screen inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-screen mutual inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-to-ground conductance [µS/km] 0.06 0.04
   Core-to-ground capacitance [µF/km] 0.24 0.15
   Modular Multilevel Converter Model and Control for the integration to the grid
   system
   ABSTRACT
   In future, the capability of the electric power transmission continues to grow due to renewable
   energy production and the needs of electrical market. Consequently many HVDC transmission systems are
   developed. Definitely the power electronic interfaces will play a key role to provide high reliability, good
   efficiency and cost effectiveness for this AC/DC conversion. Recently, the Modular Multilevel Converter
   (MMC) has taken the advantage over the more classical converter as three-level VSC. Since MMC topology
   is complex, two different control levels may be distinguished: the control of the switches mainly orientated
   on the balance of hundreds of voltage on the elementary submodules, the higher level control whose aim is
   to control the currents, power and energy in the system. This thesis is oriented mainly on the latter. It
   discusses a hierarchical and formal approach for the MMC to control the energy in all the storage elements.
   At first it is shown that an energy control is required mandatory. Secondly, it supposes to develop an
   energetic model which is inverted to design the energy control. Then different solutions of control have
   been developed and discussed. In the majority of applications, MMC is integrated in an HVDC point to
   point link where the two AC/DC substations have different roles. A specific attention has to be paid on the
   station which controls the voltage since the way to manage the energy in the MMC has a critical role in the
   DC voltage stability. Finally, all these types of control have been tested and discussed on an HVDC. It is
   shown that the exchange between the DC bus and the MMC placed on both sides play a key role in the DC
   bus voltage regulation
   KEYWORDS: Modular Multilevel Converters, energy and Power Control, Modeling, High Voltage Direct
   Current (HVDC),
   Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration
   dans le Réseau Electrique
   RESUME:
   Le système de transport d’électricité doit évoluer pour satisfaire les besoins du marché de
   l’électricité et de l’insertion de la production renouvelable. Les systèmes de transport dits HVDC se
   développent. Les interfaces d’électroniques de puissance vont jouer un rôle majeur et doivent faire preuve
   d’une extrême fiabilité, d’une grande efficacité et rester économiquement abordables. La technologie
   MMC (Convertisseur Modulaire Multi-niveaux) connaît un essor par rapport à des technologies classiques,
   comme le convertisseur trois-niveaux. Sa topologie étant complexe, deux niveaux de contrôle peuvent être
   définis. Le premier niveau porte sur le contrôle des interrupteurs pour équilibrer les tensions des sousmodules.
   Le second niveau contrôle les courants, la puissance et l’énergie dans le système. Cette thèse est
   axée sur ce deuxième niveau de contrôle. Une approche hiérarchisée et formelle, basée sur l’inversion du
   modèle pour le contrôle de l’énergie du MMC est présentée. Pour ce contrôle, différentes méthodes ont
   été proposées et comparées. Cela implique de développer une modélisation, mettre en place un contrôle.
   Différentes modèles et contrôles ont été développés. Le MMC est généralement intégré dans une liaison
   HVDC où deux stations AC/DC ont un contrôle différent. Un soin particulier doit être apporté à la
   station dédiée au contrôle de la tension. En effet, la gestion de l’énergie dans le MCC est un point critique
   pour la stabilité de la tension. Enfin, les différents types de contrôle évoqués ont été étudiés dans le cas
   d’une liaison HVDC. Il a été montré que les échanges entre le bus DC et les MMC jouent un rôle
   important pour la régulation de la tension du bus DC.
   MOTS CLES : Convertisseur modulaire multiniveau, Contôle de l’enérgie et la puissance,
   Modélisation, Haute Tension Courant Continu (HVDC)

2. "Coordination des moyens de réglages de la tension à l’interface réseaux de distribution et de transport, évolution du réglage temps réel de la tension dans les réseaux de distribution"
   Juliette MORIN, Arts et Métiers, Novembre 2016, url, résumé

   COORDINATION DES MOYENS DE REGLAGE DE TENSION A L’INTERFACE RESEAU DE
   DISTRIBUTION/RESEAU DE TRANSPORT ET EVOLUTION DU REGLAGE DE LA TENSION
   DANS LES RESEAUX DE DISTRIBUTION
   RESUME : Le réglage de la tension et la gestion de la puissance réactive est d’une importance
   capitale pour le bon fonctionnement du système électrique. Les réseaux de distribution
   connaissent des modifications profondes qui sont tant techniques avec l’insertion de la
   production décentralisée ou l’enfouissement des lignes aériennes, que réglementaires avec
   l’entrée en vigueur des codes de réseaux Européens. Aussi, des alternatives aux réglages
   traditionnels de tension et la mise en place de contrôle des échanges de puissance réactive à
   l’interface réseau de transport/distribution peuvent être développées. Dans le cadre de ces
   travaux de doctorat, une solution basée sur l’amélioration du réglage temps réel des réseaux de
   distribution ainsi que la mise en place d’une gestion conjointe de la puissance réactive entre les
   gestionnaires du réseau de transport et distribution a été proposée. Ce réglage temps réel est
   basé sur une méthode de commande prédictive, et s’appuie notamment sur le régleur en
   charge ou les productions décentralisées pour réaliser un réglage de la tension au sein d’un
   réseau de distribution et contrôler les échanges de puissance réactive. Les références de
   puissance réactive à atteindre à l’interface entre réseau de distribution et de transport sont
   déterminées par le gestionnaire du réseau de transport pour ses propres besoins et en
   connaissance des réserves de puissance réactive disponible depuis les réseaux de distribution.
   Par rapport à la littérature, notre démarche a pour originalité de prendre en compte les
   problèmes à l’interface des réseaux de distribution et de transport et démontre l’intérêt de
   mener des études conjointes entre gestionnaires.
   Mots clés : Réglage de tension, gestion de la puissance réactive, réseau de distribution actif,
   interface transport/distribution, contrôle temps réel, commande prédictive.
   JOINT TSO AND DSO VOLTAGE AND REACTIVE POWER CONTROL AT HV/MV SYSTEMS
   INTERFACE AND DEVELOPMENT OF REAL TIME VOLT VAR CONTROL OF
   DISTRIBUTION NETWORKS
   ABSTRACT: Voltage and reactive power control are of paramount importance to ensure safe
   and reliable operation of the power system. Distribution grids are undergoing major changes,
   namely the insertion of distributed generation and the replacement of overhead lines. Along with
   these physical evolutions, new distribution networks should comply with the requirements of the
   European Grid Codes on the reactive power exchange at the HV/MV interface. To handle these
   new operational concerns, alternative solutions to the traditional voltage and reactive power
   control can be found. In our work, a scheme based on the evolution of the real-time Volt Var
   Control (VVC) of distribution networks and a joint coordination for the reactive power
   management of a HV system has been proposed. The real-time VVC of MV grids is based on a
   predictive control method. This control uses in a coordinated manner the on load tap changer,
   the distributed generation and the capacitor banks to enforce a suitable MV voltage profile and
   an appropriate HV/MV reactive power exchange. The reactive power targets at the HV/MV
   interface are determined by the Transmission System Operator for its own requirements but
   considering the true MV reactive power reserve. Compared to the literature, the novelty of our
   approach consists in considering the concerns at the HV/MV system interface. Next our works
   have shown the relevance of performing joint transmission and distribution system operators
   analysis.
   Keywords : Voltage and reactive power control, active distribution grids, HV/MV systems
   interface, real-time control, predictive control.

3. "Contribution du Vehicle-to-Grid (V2G) à la gestion énergétique d’un parc de Véhicules Electriques sur le réseau de distribution"
   Siyamak SARABI, Arts et Métiers, Novembre 2016, url, résumé

   Contribution du Vehicle-to-Grid (V2G) à la gestion énergétique d'un parc de
   Véhicules Électriques sur le réseau de distribution
   RESUME :
   L'augmentation des densités de puissance et d'énergie des SSE (système de stockage électrique) des
   véhicules électriques/véhicules hybrides rechargeable (VEs/VHRs), tout en conservant des coûts
   raisonnables pour l'utilisateur, et le développement de convertisseurs d'énergie électrique à haute densité
   de puissance volumique, et de plus en plus performant vont favoriser la production en masse de véhicules
   électrifiés. Une partie de ces véhicules électriques (VEs/VHRs) nécessitent une connexion au réseau pour
   la recharge des batteries. L’insertion de ces nouvelles charges dans le réseau présentera alors plusieurs
   enjeux et impacts significatifs pour les réseaux électriques puisqu’ils doivent répondre localement à des
   demandes de puissance non négligeables. Ce projet de thèse vise à étudier et réduire les impacts des
   VEs/VHRs sur les réseaux de distribution grâce à la technologie Vehicle-to-Grid (V2G). Le véhicule
   électrique alimente le réseau en fonction des besoins du système électrique (modèle bidirectionnel) et lui
   offre un service de flexibilité. Ces travaux de recherche ont pour but d'approfondir les concepts dans
   lequel l’alimentation des véhicules électriques (VE) et/ou hybrides de type P-VEH est intégrée à la
   gestion du réseau de distribution et des « hubs énergétiques » du futur. L’objectif de la thèse est d’abord
   étudier les services systèmes possibles à fournir grâce au V2G, ensuite de concevoir un système de
   supervision qui assurera une gestion énergétique de ces nouvelles charges en choisissant le mode de
   recharge et/ou décharge adéquat et en prenant également en considération la demande de consommation
   locale et la présence de production de type renouvelable (photovoltaïque, éolien) dans le réseau de
   distribution. Cette supervision se fera dans un premier temps « en hors ligne » et par la suite « en ligne ».
   On aura recours à l’utilisation de méthodes d’intelligence artificielle comme l’apprentissage automatique
   (Machine Learning) et la logique floue, la commande prédictive ainsi que des méthodes d’optimisation
   hybrides (stochastiques et déterministes).
   Mots clés : Véhicule électrique rechargeable, Réseaux de distribution, Gestion énergétique
   Contribution of Vehicle-to-Grid (V2G) to the energy management of Plug-in
   Electric Vehicles’ fleet on the distribution network
   ABSTRACT:
   The power and energy density increment of the electrical storage system (ESS) of electric vehicles/Plugin
   hybrid electric vehicles (EVs/PHEVs), while maintaining reasonable costs for the user, and the
   development of converters of electrical energy to high power density and more and more powerful, will
   encourage the mass production of electrified vehicles. Beyond, electric vehicles (EVs/PHEVs) require a
   connection to the grid for the charging of the batteries. The insertion of these new loads in the grid will
   then present several issues and significant impacts for electrical networks since they must respond locally
   to non-negligible power requests. This PhD thesis aims to study and reduce the impacts of the
   EVs/PHEVs on the distribution grid thanks to the vehicle-to-Grid (V2G) technology. The electric vehicle
   supplies the grid depending on the needs of the electrical system (bi-directional model) and offers a
   flexible service. These works of research have aimed to deepen the concepts in which the supply of
   electric vehicles (EV) and/or hybrids of type PHEV is integrated with the management of the distribution
   network and the future "energy hubs". The objective of the thesis is at first to examine the possible
   ancillary services provided by V2G, then to design a system of supervision which will ensure an energy
   management of these new loads by choosing the adequate mode of charge/discharge and also taking into
   consideration the request of local consumption and the presence of renewable production of type
   photovoltaic and wind in the distribution grid. This supervision will be in a first step "offline" and
   subsequently "online". The methods which are used in this thesis are as follows; artificial intelligence
   such as machine learning and fuzzy logic, the predictive control as well as the methods of hybrids
   optimization (stochastic and deterministic).
   Keywords: Vehicle-to-Grid, Plug-in Electric Vehicle, Distribution grid, Energy management

4. "Control of a multi-terminal HVDC (MTDC) system and study of the interactions between the MTDC and the AC grids."
   Samy AKKARI, Université Paris-Saclay, Octobre 2016, url, résumé

   Title: Control of a multi-terminal HVDC (MTDC) system and study of its interactions with the AC grids
   
   Keywords: Control, High Voltage Direct Current (HVDC), Modal analysis, Modelling, Multi-terminal
   HVDC transmission systems are largely used worldwide, mostly in the form of back-to-back and point-to-point HVDC, using either thyristor-based LCC or IGBT-based VSC. With the recent deployment of the INELFE HVDC link between France and Spain, and the commissioning in China of a three-terminal HVDC transmission system using Modular Multilevel Converters (MMCs), a modular design of voltage source converters, the focus of the scientific community has shifted onto the analysis and control of MMC-based HVDC transmission systems. In this thesis, the average value models of both a standard 2-level VSC and an MMC are proposed and the most interesting difference between the two converter technologies -the control of the stored energy in the MMC- is emphasised and explained. These models are then linearised, expressed in state-space form and validated by comparing their behaviour to more detailed models under EMT programs. Afterwards, these state-space representations are used in the modelling of HVDC transmission systems, either point-to-point or Multi-Terminal HVDC (MTDC). A modal analysis is performed on an HVDC link, for both 2-level VSCs and MMCs. The modes of these two systems are specifed and compared and the independent control of the DC voltage and the DC current in the case of an MMC is illustrated. This analysis is extended to the scope of a 5-terminal HVDC system in order to perform a stability analysis, understand the origin of the system dynamics and identify the dominant DC voltage mode that dictates the DC voltage response time. Using the Singular Value Decomposition method on the MTDC system, the proper design of the voltage-droop gains of the controllers is then achieved so that the system operation is ensured within physical constraints, such as the maximum DC voltage deviation and the maximum admissible current in the power electronics. Finally, a supplementary droop "the frequency-droop control" is proposed so that MTDC systems also participate to the onshore grids frequency regulation. However, this controller interacts with the voltage-droop controller. This interaction is mathematically quantified and a corrected frequency-droop gain is proposed. This control is then illustrated with an application to the physical converters of the Twenties project mock-up.
   
   Titre: Contrôle d'un système multi-terminal HVDC (MTDC) et étude des interactions entre les réseaux
   AC et le réseau MTDC
   
   Mots clés: Analyse modale, Commande, Décomposition en Valeurs Singulières (SVD), High Voltage Direct
   Current (HVDC), Modélisation, Multi-terminal HVDC (MTDC), Représentation d'état, Simulation
   
   La multiplication des projets HVDC de par le monde démontre l'engouement toujours croissant pour cette technologie de transport de l'électricité. La grande majorité de ces transmissions HVDC correspondent à des liaisons point-à-point et se basent sur des convertisseurs AC/DC de type LCC ou VSC à 2 ou 3 niveaux. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l'étude, le contrôle et la commande de systèmes HVDC de type multi-terminal (MTDC), avec des convertisseurs de type VSC classique ou modulaire multi-niveaux. La première étape consiste à obtenir les modèles moyens du VSC classique et du MMC. La différence fondamentale entre ces deux convertisseurs, à savoir la possibilité pour le MMC de stocker et de contrôler l'énergie des condensateurs des sous-modules, est détaillée et expliquée. Ces modèles et leurs commandes sont ensuite linéarisés et mis sous forme de représentations d'état, puis validés en comparant leur comportement à ceux de modèles de convertisseurs plus détaillés à l'aide de logiciels de type EMT. Une fois validés, les modèles d'état peuvent être utilisés afin de générer le modèle d'état de tout système de transmissions HVDC, qu'il soit point-à-point ou MTDC. La comparaison d'une liaison HVDC à base de VSCs classiques puis de MMCs est alors réalisée. Leurs valeurs propres sont étudiées et comparées, et les modes ayant un impact sur la tension DC sont identifiés et analysés. Cette étude est ensuite étendue à un système MTDC à 5 terminaux, et son analyse modale permet à la fois d'étudier la stabilité du système, mais aussi de comprendre l'origine de ses valeurs propres ainsi que leur impact sur la dynamique du système. La méthode de décomposition en valeurs singulières permet ensuite d'obtenir un intervalle de valeurs possibles pour le paramètre de"voltage droop", permettant ainsi le contrôle du système MTDC tout en s'assurant qu'il soit conforme à des contraintes bien définies, comme l'écart maximal admissible en tension DC. Enfin, une proposition de "frequency droop" (ou "statisme"), permettant aux convertisseurs de participer au réglage de la fréquence des réseaux AC auxquels ils sont connectés, est étudiée. Le frequency droop est utilisé conjointement avec le voltage droop afn de garantir le bon fonctionnement de la partie AC et de la partie DC. Cependant, l'utilisation des deux droop génère un couplage indésirable entre les deux commandes. Ces interactions sont mathématiquement quantifiées et une correction à apporter au paramètre de frequency droop est proposée. Ces résultats sont ensuite validés par des simulations EMT et par des essais sur la plate-forme MTDC du laboratoire L2EP.

5. "Optimisation de la consommation énergétique d’une ligne de métro automatique prenant en compte les aléas de trafic à l’aide d’outils d’intelligence artificielle"
   Jonathan LESEL, Arts et Métiers, Juin 2016, url, résumé

   OPTIMISATION DE LA CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE D’UNE
   LIGNE DE MÉTRO AUTOMATIQUE PRENANT EN COMPTE LES
   ALÉAS DE TRAFIC A L’AIDE D’OUTILS D’INTELLIGENCE
   ARTIFICIELLE
   RESUME : En 2014, dans le cadre du Plan Climat, les pays membres de l’Union Européenne,
   se sont engagés à réduire de près de 27% leur consommation d’énergie. L’un des
   axes d’études concerne l’augmentation de l’efficacité énergétique des transports urbains.
   Cette thèse a pour objectif de proposer une méthodologie afin de réduire la consommation
   énergétique de lignes de métro automatique tout en intégrant les perturbations de trafic
   qui se produisent dans des conditions normales d’exploitation. Le principe retenu dans ces
   travaux est de maximiser la réutilisation de l’énergie générée lors du freinage des trains,
   par les autres trains présents sur la ligne. Une première partie est dédiée à la modélisation
   électrique d’une ligne de métro automatique et à la présentation de méthodes permettant
   de calculer les flux de puissances entre les trains et les sous-stations d’alimentation. Ensuite,
   des algorithmes d’optimisation sont introduits pour effectuer l’optimisation des paramètres
   d’exploitation les plus influents dans une configuration idéale n’intégrant pas les aléas de
   trafic. Enfin, une méthodologie basée sur un apprentissage des données de simulation est
   développée dans le but de réaliser l’optimisation énergétique de la consommation en temps
   réel et en intégrant les perturbations de trafic. Cette dernière partie aura ainsi pour objectif
   de fournir une aide à la décision dans le choix des temps d’arrêts que doivent effectuer
   chaque train en station afin de maximiser la récupération de l’énergie issue du freinage.
   Mots clés : Intelligence artificielle, Optimisation dynamique, Métaheuristiques, Synchronisation
   ferroviaire, Efficacité énergétique, Régulation de trafic
   ENERGY CONSUMPTION OPTIMIZATION OF AN AUTOMATIC
   METRO LINE INTEGRATING TRAFFIC FLUCTUATIONS WITH
   ARTIFICIAL INTELLIGENCE TOOLS
   ABSTRACT : In 2014, as part of the Climate Plan, EU member countries have committed
   to reduce by 27% their energy consumption. One of the main focal areas consists in
   increasing the energy efficiency of urban transports. This thesis aims to propose a methodology
   to reduce the energy consumption of automatic metro lines while integrating traffic
   disruptions that occur under normal operating conditions. The principle adopted in this
   work is to maximize the reuse of electrical energy generated during braking of the train,
   by other trains running on the line. First part is dedicated to the electrical modeling of an
   automatic metro line and development of methods to calculate power flows between trains
   and power substations. Then, optimization algorithms are introduced to perform optimization
   of the most influential operating parameters in an ideal configuration ignoring traffic
   fluctuations. Finally, a methodology based on learning simulation data is developed in order
   to achieve optimization of energy consumption integrating traffic disruptions in real time.
   This last part will thus purchase the objective to provide a decision support to determine
   optimal dwell times to be carried out by trains in each station, so as to maximize braking
   energy recovery.
   Keywords : Artificial intelligence, Dynamic optimization, Metaheuristics, Railway synchronization,
   Energy efficiency, Traffic regulation

2015

1. "Mise en oeuvre optimale des solutions techniques pour l'insertion des productions exploitant les énergies renouvelables dans les réseaux de distribution"
   Héloïse DUTRIEUX, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2015, url, résumé

   Méthodes pour la planification pluriannuelle des réseaux de distribution. Application à
   l'analyse technico-économique des solutions d'intégration des énergies renouvelables
   intermittentes.
   Résumé :
   Depuis les années 2000, les installations de production à base d’ENergie Renouvelable (ENR) se
   déploient largement dans les réseaux de distribution. L’insertion de cette production peut requérir des
   travaux de renforcement du réseau afin de respecter les capacités constructives des matériels et des
   exigences de sécurité et de qualité. Ces travaux pouvant être coûteux et longs à mettre en œuvre,
   plusieurs solutions alternatives sont aujourd’hui envisagées afin de réduire les coûts d’intégration des
   ENR dans ces situations. L’utilisation de telles solutions nécessite au préalable de réviser les méthodes
   de planification du réseau pour qu’elles puissent analyser leurs impacts technico-économiques. Ces
   travaux de recherche ont pour objet d’apporter un cadre adapté à l’étude des leviers d’intégration des
   ENR à l’aide de nouvelles méthodes pour la planification pluriannuelle des réseaux de distribution.
   Comparée à l’état de l’art, l’approche adoptée présente l’avantage d’estimer les performances de ces
   leviers à moyen/long terme en considérant : 1) le comportement du gestionnaire de réseau de
   distribution, modélisé sous la forme d’une stratégie de planification paramétrable, 2) les interactions
   entre les réseaux moyenne et basse tension, et 3) les incertitudes sur l’arrivée des ENR. Ces trois axes
   d’amélioration ont pu être abordés grâce à des méthodes de maîtrise du temps de calcul appliquées à
   l’estimation pluriannuelle de l’état électrique du réseau. Le potentiel de l’approche proposée est
   illustré via l’analyse technico-économique de plusieurs stratégies de planification incluant des leviers
   traditionnels et/ou des leviers d’effacement de production. Les travaux se concluent sur une première
   contribution concernant l’optimisation des stratégies de planification compte tenu des incertitudes sur
   l’arrivée des ENR.
   Mots clés : réseaux de distribution, énergies renouvelables, planification, alternatives au renforcement.
   Methods for the multi-year planning of distribution networks. Application to the technoeconomic
   analysis of the solutions for integrating intermittent renewable energy sources.
   Abstract:
   Renewable Energy Sources (RES) have been intensively developed in the distribution networks since
   the 2000s. The integration of this generation may require network reinforcements so as to satisfy
   equipment capacities and meet quality and safety requirements. As these network adaptations can be
   expensive and take time, several alternative solutions are now being considered in order to reduce the
   costs of integrating RES in these situations. The use of such solutions requires modifying the network
   planning methods so as to analyze their techno-economic impacts. This research aims to provide a
   suitable framework for the study of RES-integration solutions using novel methods for the multi-year
   planning of distribution networks. Compared to the state of the art, the proposed approach provides the
   advantage of assessing the performance of these solutions in the medium/long run by considering: 1)
   the behavior of the distribution system operator, which is modeled as a multi-variable planning
   strategy, 2) the interactions between medium- and low-voltage networks, and 3) the uncertainties on
   the arrival of new RES. These three points could have been addressed by applying methods of
   reducing computation time to the multi-year estimation of the electrical network state. The potential of
   the proposed approach is illustrated through the techno-economic analysis of several planning
   strategies including traditional solutions and/or generation curtailment. The research concludes with a
   first contribution to the planning strategy optimization by taking into account the uncertainties on the
   arrival of new RES.
   Key words: distribution networks, renewable energy, planning, alternatives to network reinforcement.

2. "Gestion énergétique optimale des installations fixes de traction électrique ferroviaire hybrides"
   Petronela BUZILA-PANKOVITS, Université Lille 1, Septembre 2015, url, résumé

   Résumé
   La croissance du trafic ferroviaire prévue dans les années à venir pousse les acteurs du système
   d'électrification ferroviaire à chercher des solutions innovantes leur permettant d'assurer la
   consommation d’énergie qui y est liée. Une des solutions concerne l'intégration de moyens de
   production décentralisés et des systèmes de stockage d'énergie dans les installations fixes de
   traction électrique (IFTE). Dans cette évolution, l a thèse vise à contribuer à la conception d'un
   outil de dimensionnement et de gestion énergétique intelligente des IFTE hybrides (IFTEH). La
   première partie décrit une méthodologie de conception technico-économique d’IFTEH. A partir
   d'une architecture générique d'IFTEH, une démarche d'optimisation sur cycle des variables
   dimensionnelles, mais également des variables de commandes du système de pilotage est
   proposée. La modélisation en flux d'énergie de l'IFTEH permet ensuite d’appliquer la
   méthodologie d’optimisation sur un cas d’étude et de comparer plusieurs scénarios
   d’optimisation. Après le dimensionnement de l'IFTEH, une méthodologie de gestion énergétique
   est développée afin de répondre aux objectifs énergétiques, économiques et environnementales, à
   différents horizons temporels de supervision d'IFTEH. Plusieurs scénarios de gestion sont évalués
   en simulation à travers des indicateurs de performance représentatifs des gains du système. Une
   étude d’optimisation des paramètres de supervision apporte des réponses concernant l’influence
   du dimensionnement du système sur la gestion énergétique. Enfin, la robustesse de la supervision
   énergétique d’IFTEH est analysée lors de la validation expérimentale à l’échelle de puissance du
   laboratoire.
   
   Mots-clés : sous-station ferroviaire hybride, production renouvelable, stockage d’énergie,
   modélisation, dimensionnement, optimisation, gestion énergétique, efficacité énergétique, marché
   de l'électricité.
   
   Abstract
   In railway traffic increasing and electricity market liberalization context, railway actors are
   determined to consider innovative solutions to handle the increasing energy demand for electrical
   traction. One of the solution concerns the integration of decentralized production and energy
   storage systems in the railway power substations (RPS). The present research work aims to
   contribute to the design of a sizing and intelligent energy management tool for the hybrid RPS
   (HRPS). In the first part of the dissertation, a methodology for the techno-economical design of
   the HRPS is described. From a HRPS generic architecture, an optimization approach is proposed
   by considering cycles of dimensional and system control variables. Furthermore, an energy flow
   model permits to apply the optimization methodology on a study case and to compare different
   optimization scenarios in order to analyze the sizing and optimal planning of electrical sources
   and loads for a typical day. After sizing the HRPS, an energy management methodology is
   developed in order to achieve energy, economic and environmental objectives at different time
   levels of HRPS supervision. Several energy management scenarios are evaluated in simulation
   through adapted system gain indicators. An optimization study of the supervision parameters
   provides additional answers concerning the influence of the system design on its management
   strategy. Eventually, the HRPS energy management robustness is analyzed during an
   experimental setup phase at laboratory power scale.
   
   Keywords : hybrid railway power substation, renewable energy, energy storage, system
   modeling, optimal design, energy management, energy efficiency, electricity market.

3. "Gestion énergétique d’une infrastructure de charge intelligente de véhicules électriques dans un réseau de distribution intégrant des énergies renouvelables"
   Anouar BOUALLAGA, Université Lille 1, Juin 2015, url, résumé

   Ré sume
   La crise énergétique et environnementale ont promu le gouvernement à prendre des mesures
   vigoureuses pour stimuler la transition énergétique et accélérer la croissance verte. Dans cette
   politique, les véhicules électriques (VE) constituent à terme une réelle réponse aux problématiques
   actuelles. Leur insertion dans le système électrique a poussé l’ensemble des acteurs et notamment
   les gestionnaires de réseaux de distribution à privilégier une modernisation des réseaux électriques.
   Assimilée à la thématique des Smart Grids, la thèse vise à apporter des éléments de réflexion au
   concept de la gestion de la demande appliquée aux VE. La première partie de ce travail expose une
   méthodologie d’évaluation de l’impact technico-économique des VE sur les réseaux de distribution
   HTA/BTA. Ensuite, pour soulever cette problématique, une prospection des services du pilotage de
   charge orientés réseaux et marché est menée en deuxième partie. Une démarche d’analyse des
   pistes de valorisation a permis de dégager les services à forte contribution économique. A ce titre,
   une méthodologie de conception de stratégies de supervision optimisées est proposée. Son
   application a permis de tirer des conclusions sur la valorisation financière et environnementale des
   effacements de charges de VE. Les résultats de simulation sont employés pour une étude de
   rentabilité technico-économique. Ensuite, le comportement des réseaux de distribution face aux
   algorithmes de supervision est étudié par une approche de co-simulation. Enfin, les principes Smart
   Grids sont analysés et validés via des expérimentations réalisées sur un démonstrateur hybride
   interfaçant un simulateur temps réel avec du matériel physique.
   Mots clés : Véhicule électrique, Gestion énergétique, Energie renouvelable, Réseaux de distribution,
   Marché de l’électricité, Services systèmes, Smart Grids, Expérimentations.
   Abstract
   Energy and environmental crisis have prompted the government to take strong measures to
   stimulate energy transition and accelerate green growth. In this context, electric vehicles (EVs) are
   considered as a real solution to deal with the current problems. Their integration into the electrical
   system promotes distribution system operators to develop smart solutions in this field. Concerning
   the Smart Grids concept, the present work aims to provide answers to a wide range of questions for
   demand side management program using plug-in EVs charging strategies. The first section of this
   PhD project, presents a methodology to assess technical and economic impacts of EVs charging on
   Medium and Low voltage distribution networks. Afterwards, analyses about the competitive EVs
   load management ancillary services are conducted in the third chapter. By comparing potential and
   opportunities of each ones, three ancillary services for electricity market contribution were
   selected. In this context, a methodology for designing energy management strategies is proposed.
   The latter is applied to the selected ancillary services to assess the financial contribution of the
   developed strategies. Environmental aspects and Wind-to-Vehicle concept are also evaluated.
   Furthermore, thanks to a co-simulation interface, the interactions between supervision strategies
   and real distribution networks are analyzed. The last section presents a Hardware-in-the-loop
   demonstrator using a real time simulator, smart meters and EVs charging stations. Through
   experiments, communication constraints and Smart Grids principles are evaluated and validated.
   Keywords : Electric vehicle, Energy management, Distribution networks, Renewable energy, Electricity
   market, Ancillary services, Smart Grids, Experiments.

4. "MODÉLISATION ET SIMULATION D’UNE LIAISON HVDC DE TYPE VSC-MMC"
   Hani SAAD, UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL, Mars 2015, url, résumé

   Le transport d’énergie en courant continu à haute tension (CCHT ou HVDC) est aujourd’hui en
   pleine expansion dans le monde. Deux principaux facteurs sont à l’origine de cet engouement. Le
   premier est lié à la difficulté de construire de nouvelles lignes aériennes pour assurer le
   développement du réseau à haute tension qui fait que le recours à des câbles souterrains est de
   plus en plus fréquent. Or l’utilisation de ces câbles est limitée en longueur à quelques dizaines de
   km à cause du courant capacitif généré par le câble lui-même. Au-delà de cette longueur limite, la
   solution consiste généralement à transporter en courant continu. Le second facteur est lié au
   développement de l’éolien offshore qui nécessite de raccorder des puissances de plusieurs
   centaines de MW au réseau continental au moyen de câbles dont les longueurs peuvent atteindre
   quelques centaines de km et ce qui nécessite donc le transport en HVDC.
   De façon concrète, plusieurs projets de transmission HVDC ont été planifiés par le gestionnaire
   du réseau de transport français RTE. Le projet INELFE, par exemple, est une interconnexion
   HVDC entre la France et l’Espagne, pour la transmission de 2,000 MW. Cette thèse est financée
   par RTE, dans le but de modéliser, simuler en temps réel et étudier les risques d’interaction entre
   ces liaisons HVDC.
   La particularité des ouvrages de transport en courant continu est de faire appel à un contrôle
   commande dédié qui va en grande partie déterminer le comportement dynamique de la liaison
   tant sur des grosses perturbations (défauts sur le réseau) qu’en régime de petites variations.
   Il existe différentes topologies VSC (Voltage Source Converter), comme les convertisseurs à
   deux niveaux, les convertisseurs multi-niveaux avec des diodes et les convertisseurs multiniveaux
   avec des condensateurs flottants. Toutefois, en raison de la complexité des commandes et
   des limites pratiques, les installations de système HVDC-VSC ont été limitées à des
   convertisseurs à deux niveaux et à trois niveaux. Récemment, la mise au point de la technologie
   modulaire appelé MMC (Modular Multilevel Converter [Siemens]-[Alstom]) ou CTL (Cascaded
   Two Level topology [ABB]) en fonction des industriels, a permis de surmonter les limites des
   autres topologies multi-niveaux pour les applications HVDC. Cette topologie est constituée de
   plusieurs sous-modules connectés en séries. Chaque sous-module contient deux IGBTs avec leurs
   diodes antiparallèles et un condensateur qui sert comme accumulateur d’énergie. La commande
   de ces IGBTs permet de connecter et de déconnecter le condensateur sur le réseau. Le
   regroupement de plusieurs sous-modules en série forme un demi-bras. Du coté triphasé, chaque
   phase est constituée de deux demi-bras. Des inductances sont ajoutées en série avec chaque demibras
   afin de limiter le courant de défaut.
   Compte tenu du nombre très élevé de composants semi-conducteurs dans ces nouveaux
   convertisseurs, il est très difficile de modéliser et simuler l'ensemble de ces composants dans un
   même environnement de simulation de type électromagnétique (EMT) qu'il fonctionne en temps
   différé ou en temps réel. Les modèles MMC détaillées comprennent la représentation de milliers
   d’IGBT/diode et doivent utiliser de petits pas de temps d'intégration numérique pour représenter
   avec précision les événements de commutation rapides et simultanés. Ceci devient encore
   particulièrement plus complexe pour effectuer des simulations en temps réel. La charge de calcul
   engendrée par ces modèles, met en évidence la nécessité de développer des modèles plus
   efficaces. Une tendance actuelle est basée sur des modèles simplifiés capables de fournir
   suffisamment de précision pour les simulations de type EMT, cependant la validité de ces
   modèles doit être évaluée.
   Le premier objectif de cette thèse est de modéliser des systèmes de transmission HVDC-MMC
   dans les programmes de type EMT pour des simulations en temps différé et en temps réel. Pour
   ce faire, tout d’abord, différentes approches de modélisation sont présentées, ensuite le système
   de contrôle-commande utilisé pour les liaisons HVDC est développé, et, enfin, un modèle MMC
   utilisant les technologies CPU (Central Processing Unit) et FPGA (Field-Programmable Gate
   Array) pour les simulations en temps réel est mise en œuvre. Ce projet de thèse est utile aux
   chercheurs et ingénieurs qui utilisent des outils de simulation transitoire pour la modélisation et
   l'analyse des réseaux électriques incluant des liaisons HVDC-MMC.
   Par ailleurs, les liaisons à courant continu en construction ou en projet en France, s'insèrent dans
   un réseau fortement maillé. C'est une caractéristique relativement nouvelle pour ces liaisons.
   L'impact de leur fonctionnement peut devenir très important sur les réseaux à courant alternatif et
   causer des modes de fonctionnement indésirables. Le deuxième objectif de cette thèse est donc de
   réaliser une analyse modale et une étude paramétrique afin d’évaluer les risques d’interactions
   indésirables entre les liaisons HVDC et leur réseau d’accueil.
   
   
   ABSTRACT
   High-voltage direct current transmission systems (HVDC) are rapidly expanding in the world.
   Two main factors are responsible for this expansion. The first is related to the difficulty of
   building new overhead lines to ensure the development of high-voltage AC grids, which makes
   the usage of underground cables more common. However, the use of such cables is limited in
   length to a few tens of km because of the capacitive current generated by the cable itself. Beyond
   this length limit, the solution is usually to transmit in DC. The second factor is related to the
   development of offshore wind power plants that require connecting powers of several hundred of
   MW to the mainland grid by cables whose lengths can reach several hundreds of km and
   consequently require HVDC transmission system.
   Several HVDC projects are currently planned and developed by the French transmission system
   operator RTE. One of such projects is the INELFE interconnection project, with a capacity of
   2,000 MW, between France and Spain.
   This thesis has been funded by RTE, in order to model and simulate in off-line and real time
   modes, modern HVDC interconnections. The delivered simulation means are used to examine
   targeted HVDC system performances and risks of abnormal interactions with surrounding power
   systems. The particularity of the INELFE HVDC system is the usage of a dedicated control
   system that will largely determine the dynamic behaviour of the system for both large
   disturbances (faults on the network) and small perturbations (power step changes).
   Various VSC topologies, including the conventional two-level, multi-level diode-clamped and
   floating capacitor multi-level converters, have been proposed and reported in the literature.
   However, due to the complexity of controls and practical limitations, the VSC-HVDC system
   installations have been limited to the two-level and three-level diode-clamped converters.
   Recently, the development of modular technology called MMC (Modular Multilevel Converter
   [Siemens] - [Alstom]) or CTL (Cascaded Two Level topology [ABB]) has allowed to overcome
   existing limitations. This topology consists of several sub-modules connected in series. Each submodule
   contains two IGBTs with antiparallel diodes and a capacitor that act as energy storage.
   The control of these IGBTs allows connecting and disconnecting the capacitor on the network.
   The grouping of several sub-modules in series forms an arm. From the AC side, each phase
   consists of two arms. Reactors are included in series with each arm in order to limit the fault
   current.
   The large number of IGBTs in MMCs creates complicated computation problems in
   electromagnetic transient type (EMT-type) simulation tools. Detailed MMC models include the
   representation of thousands of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switches and must use
   small numerical integration time steps to accurately represent fast and multiple simultaneous
   switching events. This becomes particularly more complex for performing real-time simulations.
   The computational burden introduced by such models highlights the need to develop more
   efficient models. A current trend is based on simplified models capable of delivering sufficient
   accuracy for EMT-type simulations, however the validity range of such models must be carefully
   evaluated.
   The first objective of this thesis is to model HVDC-MMC transmission systems in EMT-type
   programs for off-line and real-time simulations. To fulfill this objective, different modelling
   approaches are presented, then the control system used for HVDC-MMC links is developed and
   finally the implementations of MMC models using both CPU (Central Processing Unit) and
   FPGA (Field-Programmable Gate Array) technologies for real-time simulations, are presented.
   The contributions are useful for researchers and engineers using transient simulation tools for
   modelling and analysis of power systems including HVDC-MMC.
   The HVDC links currently planned or constructed in France, are embedded in highly meshed
   networks and may have significant impact on their operations and performance. Therefore, the
   second objective of this thesis is to perform modal analysis and parametric studies to assess the
   risks of abnormal interactions between several HVDC links inserted in meshed AC networks.

2014

1. "Modélisation Dynamique et Commande des Réseaux à Courant Continu Multi-Terminaux Haute Tension"
   Pierre RAULT, Ecole Centrale de Lille, Mars 2014, url, résumé

   ABSTRACT
   Offshore wind power could help European countries to reach their objectives in terms of
   renewable energy. Since offshore wind farms may be located far from the shore, HVDC
   transmission is the only viable solution to connect it to the shore. The connection of wind farm
   could be coupled with DC interconnections and reinforcements between AC systems to improve
   power transit flexibility and reliability. Before the achievement of such DC grids, control
   principles and protection scheme must be considered.
   This thesis deals with control and stability of Multi-terminal HVDC (MTDC) grid used to
   connect wind farms to several onshore injection points. This work discusses both the primary
   control methods to provide DC grid power balance and coordinated control methods to dispatch
   power as scheduled by TSOs.
   The literature review on primary control methods allows choosing the droop voltage
   method as the best candidate to control the DC grid. An in-depth analysis highlights the
   influence of the droop parameter and the DC storage elements on the DC grid dynamics and this
   leads to a methodology to size the droop parameter. Next the stability of DC grid alone is
   assessed by small signal stability analyses. Also, interaction origins between AC and DC systems
   are traced using modal analysis.
   Since, primary control act as converter level using local measurements, a master controller
   is proposed to manage the DC grid power flows. Based on steady study state considerations, this
   controller computes references to send to converter stations in order to restore the system at
   nominal value and to satisfy TSOs wishes: interconnections schedule power transits and wind
   power sharing.
   Finally, methods developed along the thesis are assessed on a multi-terminal mock-up. This
   is an hardware-in-the-loop mock-up where AC systems are simulated in real time and cables and
   some converters are real at low scale. The low scale mock-up is homothetic to a full scale system:
   electrical elements are the same in per unit, DC storage is also homothetic and converter’s
   controllers are tuned to achieve identical time responses. The mock-up is monitored by a
   SCADA system in which the coordinated control is implemented.
   KEYWORDS
   Control, Modeling, Modal analysis, High Voltage Direct Current (HVDC), Multi-Terminal
   DC (MTDC), Interactions AC-DC, Load-Flow, SCADA, Hardware In the Loop (HIL),Voltage
   Source Converter (VSC),

2. "Gestion des flux énergétiques dans un système hybride de sources d’énergie renouvelable : Optimisation de la planification opérationnelle et ajustement d’un micro réseau électrique urbain"
   Hristiyan KANCHEV, Ecole Centrale de Lille, Janvier 2014, url, résumé

   Gestion des flux énergétiques dans un système hybride de sources d’énergie
   renouvelable: Optimisation de la planification opérationnelle et ajustement d’un micro
   réseau électrique urbain
   Résumé
   L’objectif est de développer un algorithme de gestion énergétique d’un parc de production
   comprenant de la production distribuée sous forme de micro turbines à gaz et de générateurs PV
   pilotables dits «actifs » en vue de minimiser le coût économique et environnemental. Les principes
   généraux de la production d’électricité à base d’énergie renouvelable et non renouvelable sont d’abord
   présentés et le fonctionnement actuel des réseaux électriques est rappelé pour situer les innovations
   attendues dans les futurs réseaux dits intelligents. Ensuite, un algorithme de suivi du point de
   puissance maximale et de puissance limitée dans un générateur actif PV est présenté. La modélisation
   des micro-turbines à gaz est aussi présentée. La contribution principale concerne la conception d’une
   planification opérationnelle des moyens de production la veille pour le lendemain à partir de
   prédictions de la charge et de la production PV en utilisant une programmation dynamique adaptée. La
   méthode proposée prédétermine le profil de production des générateurs de manière à réaliser une
   optimisation globale d’une fonction objective pour un réseau électrique urbain. Pour l’exploitation, un
   algorithme d’ajustement est proposé et intervient toutes les ½ heures de manière à prendre en compte
   les déviations par rapport aux prédictions en utilisant un réseau de communication. Un micro réseau
   urbain est utilisé pour tester les algorithmes de gestion implantés dans un superviseur interfacé à un
   simulateur temps réel. Des comparaisons dans des situations identiques avec différentes fonctions
   objectives sont réalisées ainsi que des évaluations économiques et environnementales à l’aide
   d’indicateurs.
   Mots-clefs
   Réseau électrique, Planification opérationnelle, Optimisation, Energie renouvelable, Emission de
   dioxyde de carbone, Micro réseau, Photovoltaïque, Micro-turbine à gaz
   Energy management of a hybrid power system including renewable energy based
   generators: Optimization of the operational planning and the daily adjustment for an
   urban micro grid
   Abstract
   The presented research works aim to develop an energy management system for a cluster of
   distributed micro gas turbines and controllable PV generators called «active generators». The general
   principles of electricity generation from renewable and non-renewable energy sources are first
   presented. The operation of actual electric grids is also recalled in order to highlight the challenges and
   expected innovations in future Smart Grids. Then, the integration of a novel method for maximum and
   limited power point tracking in a PV-based active generator is presented. The modeling of micro-gas
   turbines in a microgrid energy management system is also presented. The main contribution of this
   thesis concerns the design of an operational planning of generators one day ahead by the means of a
   dynamic programming-based algorithm, taking into account the PV power production and the
   consumption forecasts. The proposed method calculates the production planning of generators by
   performing a global optimization of an objective function. An adjustment algorithm is proposed and
   executed every ½ hours through a communication network in order to take into account the
   uncertainty in forecasted values. An urban microgrid is used for testing the developed algorithms
   through Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) with hardware-in-the-loop and real-time
   simulations. Comparisons of the microgrid operation in identical situations with different objective
   functions are performed, as well as evaluations of economic and environmental indicators.
   Keywords
   Power system, Operational planning, Optimization, Renewable energy, Carbon dioxyde emission,
   CO2, microgrid, Photovoltaic, Gas microturbine

2012

1. "Approche probabiliste pour l’évaluation de la fiabilité du système électrique intégrant des énergies renouvelables peu prévisibles"
   Minh Thang DO, Thèse de l’Université Lille1, Décembre 2012
2. "Évaluation de la performance des réglages de fréquence des éoliennes à l’échelle du système électrique : application à un cas insulaire"
   Ye WANG, Thèse de l’Ecole Centrale de Lille, Novembre 2012
3. "Optimisation de l’architecture et des flux énergétiques de centrales à énergies renouvelables offshore et onshore équipées de liaisons en continu"
   Pascal MONJEAN, ENSAM Lille, Octobre 2012, résumé

   In EU, the electricity production objective by using renewable energy in 2020 is 20
   %. Mostly offshore wind as well as tidal current and photovoltaic will contribute to achieve this
   objective. Considering the fact that offshore wind farms are more and more far away from the
   onshore grid, farm power production is higher and higher and recent improvements in power
   electronics lead to revise the electrical architecture. Several offshore wind farms electrical
   topologies are compared in order to define the more suitable in term of feasibility, efficiency and
   availability. A solution with DC grid is chosen given that it presents lower losses and DC-DC
   converters using high-frequency transformers reducing footprint, compared to classical AC
   solutions. Selected DC topology is modeled with particular attention to technological core of the
   wind farm: the Full-Bridge DC-DC converter. An interlacing control for DC-DC converter is
   explained in order to decrease the size of the filter. Two experiences at real (2 MW) and small
   scale (4 kW) allow to validate the models, the losses and controls integrated in the converter.
   Protections which can be used for DC grid are also studied with DC static breaker design
   proposal. Interactions between the real time simulator and 4 kW mock-up is realized to compare
   converters behavior from wind farm on large time scales. Different controls are tested and more
   particularly ones allowing to validate the wind farm capacity to remain connected to the grid
   during the AC faults. All strategies developed on wind offshore farms are extended to high
   power solar farms to highlight analogies between both renewable energies.

2011

1. "Supervision, Economies et impact sur l’environnement d’un système d’énergie électrique associée à une centrale photovoltaïque"
   Firas ALKHALIL, ENSAM Lille, Novembre 2011
2. "Commande multimodèle optimale des éoliennes : Application à la participation des éoliennes au réglage de la fréquence"
   Nadhira KHEZAMI, Ecole Centrale de Lille, Octobre 2011
3. "Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration dans la gestion d’un réseau électrique. Apports des convertisseurs multi niveaux au réglage des éoliennes à base de machine asynchrone à double alimentation "
   Tarak GHENNAM, Ecole Centrale de Lille et Ecole Militaire Polytechnique d’Alger, Septembre 2011
4. "Supervision de sources de production d’électricité hybrides éolien/hydraulique dans les réseaux d’énergie interconnectés ou isolés"
   Mehdi NASSER, ENSAM Lille, Mai 2011
2010

1. "Participation de parcs de production éolienne au réglage de la tension et de la puissance réactive dans les réseaux électriques"
   Amir AHMIDI, Ecole Centrale de Lille, Décembre 2010
2. "Conception et contrôle d’un générateur PV actif à stockage intégré. Application à l’agrégation de producteurs-consommateurs dans le cadre d’un micro réseau intelligent urbain"
   Di LU, Ecole Centrale de Lille, Décembre 2010
3. "Microreseaux ilotables : etude et coordination des protections des generateurs et du reseau"
   Fouad SALHA, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2010
4. "Contribution du Stockage à la Gestion Avancée des Systèmes Électriques, Approches Organisationnelles et Technico-économiques dans les Réseaux de Distribution"
   Gauthier DELILLE, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2010, url, résumé

   Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l’avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d’énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l’essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables variables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l’intérêt.Dans un premier temps, des méthodes d’étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille d’analyse des technologies, orientée « réseaux », est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Ce point est examiné en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est d’abord définie ; ensuite, la mutualisation de plusieurs fonctions, requise pour favoriser l’atteinte d’une rentabilité, est envisagée via une approche originale s’appuyant sur une matrice de synthèse services/localisations.Cette démarche aboutit à l’identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d’évaluer finement l’utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Dans le dernier chapitre du mémoire, la représentation proposée est validée expérimentalement et son intérêt est illustré sur le cas d’un usage nouveau : caractérisation d’une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes électriques insulaires. Avec la mise au point d’une grille d’analyse des technologies, d’une matrice services/localisations pour l’élaboration de portefeuilles d’applications et, enfin, d’un modèle dynamique général pour la conduite d’analyses fines, cette thèse propose une boîte à outils pour aider à appréhender la contribution du stockage distribué à la gestion avancée des systèmes électriques. --- Innovative solutions must be developed to make future power systems able to overcome a growing number of challenges. In particular, energy storage is thought to be the missing link that will help enable the massive integration of variable, renewable sources in distribution grids. The present research work aims to investigate this new technical option, which has reached maturity over the past few years and is currently attracting increasing attention.In the first part of the dissertation, general methods to assess the potential and opportunities of distributed energy storage are presented. A framework for characterizing storage technologies is defined and its use highlights interesting performances but high costs. That is why the benefits of such devices for power systems are crucial to their development. The study of this point is carried out in two phases: their applications for various stakeholders of liberalized power systems are first classified and precisely defined; the aggregation of some of these services to increase the profitability of energy storage is then contemplated using a new method, based on a locations vs. services matrix.This approach leads to the identification of several high-value configurations that deserve further exploration. To this end, a scalable, flexible model of distributed energy storage systems is proposed in the second part of the dissertation. Its implementation in a dynamic simulation software allows the study of advanced storage “service packs” in power systems. In the last chapter, this library of parametrized models is experimentally validated and the possibilities it offers are illustrated on a case study: analysis of the provision of a fast frequency control reserve by distributed energy storage systems to reduce the use of automatic load-shedding in isolated power systems.With the development of a grid-oriented framework for characterizing storage techniques, of a locations vs. services matrix to contemplate the aggregation of benefits and, finally, of a library of dynamic models dedicated to in-depth studies of storage applications, this thesis proposes a toolbox to help assess the participation of energy storage to the advanced management of power systems.

5. "Application des bond graphs à la modélisation et à la commande de réseaux électriques à structure variable"
   Roberto SANCHEZ, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2010
6. "Intégration dans le réseau électrique et le marché de l’électricité de production décentralisée d’origine renouvelable : Gestion des congestions locales "
   Arnaud VERGNOL, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2010
7. "Gestion décentralisée de réseaux continus à forte disponibilité en aéronautique"
   He ZHANG, Université Lille1, Juin 2010
8. "Reconfiguration du dispositif de commande d’une éolienne connectée à un micro réseau en cas de creux de tension"
   Ling PENG, Ecole Centrale de Lille et Tsinghua Unviversity, Juin 2010
2009

1. "Formalisme pour la supervision des systèmes hybrides multi-sources de générateurs d’énergie réparties: application à la gestion d’un micro réseau"
   Peng LI, Ecole Centrale de Lille, Juin 2009
2. "Commande et Supervision Energétique d’un Générateur Hybride Actif Eolien incluant du Stockage sous forme d’Hydrogène et des Super-Condensateurs pour l’Intégration dans le Système Electrique d’un Micro Réseau "
   Tao ZHOU, Ecole Centrale de Lille, Juin 2009
3. "Intégration des éoliennes dans les réseaux électriques insulaires"
   Daniel MARIN, Ecole Centrale de Lille, Avril 2009
2008

1. "Etude du système de conversion électromécanique d’une micro centrale hydroélectrique à vitesse variable"
   Stefan BREBAN, ENSAM et Université technique de Cluj-Napoca, Roumanie, Décembre 2008
2. "Supervision d’une centrale multi sources à base d’éoliennes et de stockage d’énergie connectée "
   Vincent COURTECUISSE, ENSAM, Novembre 2008
2007

1. "Participation aux services système de fermes éoliennes à vitesse varaiable intégrant du stockage inertiel d’énergie"
   Arnaud DAVIGNY, USTL, 11 décembre 2007, Décembre 2007
2. "Contribution des convertisseurs multiniveaux au raccordement de la production d’origine éolienne sur un réseau électrique"
   Omar BOUHALI, Ecole Nationale Polytechnique d’Alger – Ecole Centrale de Lille, Avril 2007
2005

1. "Système inertiel de stockage d’énergie associé à des générateurs éoliens."
   Gabriel CIMUCA, ENSAM - Université Technique de Cluj-Napoca Roumanie, Décembre 2005
2. "Système inertiel de stockage d’énergie associé à des générateurs éoliens"
   Gabriel CIMUCA, ENSAM, Décembre 2005
3. "- Production décentralisée dans les réseaux de distribution - Etude pluridisciplinaire de la modélisation pour le contrôle des sources "
   Emanuel MOGOS, ENSAM, Juillet 2005
2004

1. "Modélisation de différentes technologies d’éoliennes intégrées dans un réseau moyenne tension"
   Salma EL AIMANI, ECL, Décembre 2004
2. "Apport du stockage inertiel associé à des éoliennes dans un réseau électrique en vue d’assurer des services système"
   Ludovic LECLERCQ, USTL, Décembre 2004
3. "Etude de l’intégration de la production décentralisée dans un réseau basse tension. Application au générateur photovoltaïque"
   Yann PANKOW, ENSAM, Décembre 2004