UPThèses

Dans cette thèse une contribution a été faite sur l'étude et l'amélioration des performances de la génératrice synchrone (GS). C'est ainsi qu'une nouvelle structure d'excitation de la GS, basée sur l'utilisation d'une machine à aimants permanents combinée avec un pont redresseur à thyristors, a été proposée en vue d'alimenter directement l'inducteur de celle-ci. Afin de tirer un grand avantage de cette structure d'excitation dont la dynamique est par nature plus rapide que celle des structures classiques, deux lois de commande ont été mise en place : la commande prédictive et la commande H∞ et elles ont fourni des résultats assez similaires et très satisfaisants en simulation. Pour la validation expérimentale, une implantation en temps réel via une interface Dspace, nous a permis de conclure quant à la validité de notre approche. Une comparaison avec une structure d'excitation industrielle a été faite afin d'évaluer aussi bien quantitativement que qualitativement l'apport effectif de ce travail. Ainsi en termes de chutes/dépassement de tension, de temps de réponse et de taux de distorsion des signaux de sortie, la nouvelle approche combinée à une loi de commande moderne apporte une meilleure réponse par rapport aux structures classiques.

Pour mener des recherches en diagnostic de la machine asynchrone sur des défauts essentiellement électriques ou mécaniques, l'outil de simulation est indispensable pour les investiguer. Autant en pratique certains défauts sont quasiment impossibles à réaliser, qu'il est souvent aussi difficile de les reproduire en simulation sans y consacrer un temps de développement très important. C'est pour cela que dans cette thèse, avec l'idée d'utiliser les outils issus du génie logiciel, on s'est donné comme objectif d'automatiser la génération d'un simulateur de la machine asynchrone en défaut. Après un recensement des différentes approches de simulation des machines asynchrones, nous avons développé notre modélisation avec la méthode des Circuits Électriques Magnétiquement Couplés (CEMC). Nous détaillons pas à pas les étapes empruntées par le Méta Modèle, dans un premiers temps, pour modéliser une machine saine, en décrivant les parties élémentaires du modèle jusqu'à la façon de les assembler pour obtenir le modèle de la machine complète. Cela s'est traduit par la génération des mutuelles intrinsèques au stator, intrinsèques au rotor, et des mutuelles stator-rotor, ainsi que la construction des matrices de connexions selon les caractéristiques topologiques du bobinage de la machine. Ensuite, nous avons enrichi ce Méta Modèle par la prise en considération de la présence de défauts de type court-circuit de spires au sein d'une même phase, court-circuit entre phase et terre ou rupture de barres. Nous avons montré comment ce générateur de modèle prend en compte chacune de ces altérations topologiques en faisant les extensions nécessaires aux matrices de connexions et aux matrices du

Un cobot chirurgical est un système développé pour empêcher les chirurgiens d'endommager les structures anatomiques sensibles. Le cobot permet au chirurgien de manipuler librement ses instruments de chirurgie, sauf dans les volumes définis à l'avance comme des zones anatomiques à protéger. Le cobot évite au chirurgien de pénétrer dans ces zones interdites et assure par conséquent des opérations chirurgicales délicates en protégeant activement les structures sensibles, comme la moelle épinière, etc. Ainsi un cobot chirurgical est un système haptique présentant à la fois une excellente transparence et une capacité à générer des forces dans la main de son opérateur. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances d'une interface haptique à un degré de liberté en termes de raideur atteinte et de transparence. L'interface haptique étudiée est entraînée par une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) en utilisant un D.S.P. à virgule fixe. Deux modes de fonctionnement différents sont considérés pour l'interface haptique: le mode bloqué et le mode transparent (ou fonctionnement libre). En mode bloqué, la MSAP doit délivrer son couple nominal instantanément et le maximum de raideur. Pour obtenir la meilleure raideur, la méthode d'estimation de la vitesse de MSAP est améliorée et la fréquence d'asservissement du contrôleur est augmentée. Ainsi, deux méthodes d'estimation de vitesse sont proposées, évaluées et comparées avec la classique méthode d'estimation de vitesse " Synchronous Constant Elapsed Time method " (SCET): l'une est basée sur le filtre de Kalman (KF) et la seconde sur un observateur d'état (FOSO). En parallèle, le code du DSP est optimisé afin d'augmenter la fréquence d'asservissement du contrôleur. En mode transparent, l'interface haptique doit être aussi légère que possible. Toutefois, la transparence est dégradée par les frottements et l'inertie liés à la structure mécanique, ainsi que le phénomène de " cogging " de la MSAP. Deux stratégies pour compenser les frottements et l'inertie du système sont proposées. La première utilise l'estimation en ligne du couple de perturbation à l'aide de l'observateur d'état (FOSO) et la seconde estime en hors ligne le couple de perturbation en utilisant l'équation mécanique du système et les paramètres mécaniques pré-identifiés. Quant au phénomène de " cogging " de la MSAP, une technique d'identification hors ligne et de compensation des ondulations du couple est proposée et évaluée. La combinaison des solutions proposées permet d'obtenir une raideur maximale de 35Nm/rad en mode bloqué et de compenser 91% du phénomène de " cogging " de la MSAP en mode transparent, ainsi que les frottements et l'inertie du système.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire traite de façon originale l'amélioration de la régulation de tension des générateurs synchrones autonomes durant les régimes transitoires de la charge. La structure d'excitation et la loi de commande associée sont deux éléments principaux qui influencent le comportement dynamique des générateurs synchrones. Le système d'excitation industriel est souvent basé sur la structure d'excitation classique (brushless) associée à un régulateur de tension analogique ou numérique de type PID. En remplaçant le régulateur industriel par un régulateur numérique H∞, une amélioration remarquable dans les performances du système a été obtenue. De nouvelles structures d'excitation permettant de commander directement la roue polaire à travers un pont PD3 à thyristors ou un pont PD3 à diodes suivi d'un hacheur ont permis d'obtenir de meilleurs résultats dynamiques en termes de chutes/dépassements de tension et temps de réponse. Une comparaison des régulateurs H∞ monovariables et multivariables ont montré que la structure SISO était plus simple et presque aussi performante que la commande MISO.

Cette thèse est une contribution à l'étude des systèmes hybrides éoliens-photovoltaïques avec batteries sur plusieurs aspects : évaluation des sources, modélisation, simulation, optimisation du dimensionnement et enfin commande et supervision. Ainsi, dans un premier temps, une étude d'impact sur l'évaluation du potentiel en énergies renouvelables sur un site donné en prenant en compte la consommation dans un habitat résidentiel (période et méthode d'acquisition des données, techniques d'évaluation, ...) est présentée. Puis, les modèles énergétiques des différents composants du système ainsi que les aspects économiques et écologiques sont définis. L'ensemble est représenté à l'aide du logiciel Matlab/Simulink. Ensuite, une méthodologie d'optimisation du dimensionnement du système multi-sources est développée et comparée à plusieurs approches, allant d'une optimisation mono-objective à une multi-objective et évaluant le coût économique et écologique de chacune de ces solutions. Une solution « pratique » est retenue pour les composants PV, éolien et batteries du système final afin d'en évaluer la viabilité énergétique, économique et écologique. Les résultats montrent un impact environnemental faible et un coût raisonnable du point de vue économique ainsi qu'une satisfaction de la charge dans les limites tolérées par l'usager. La méthode développée de dimensionnement est comparée à un outil commercial existant. Enfin, un banc expérimental PV-éolien avec batteries est mis en oeuvre avec une nouvelle technique de supervision basée sur le contrôle des courants et l'estimation de l'état de charge des batteries.

Les travaux de recherche dans ce mémoire s’inscrivent dans l'étude et la commande d'un nouveau concept du groupe électrogène hybride permettant de réduire la puissance du moteur diesel (downsizing) d’économiser du carburant et d’améliorer le comportement de la génératrice synchrone durant les régimes transitoires. La solution adoptée consiste à mettre en parallèle à la génératrice synchrone un système de stockage d'énergie. Ce système est composé d'un onduleur avec un supercondensateur du côté du bus continu. L’objectif de la thèse a été de dimensionner l’ensemble supercondensateur /convertisseur statique et de développer une commande ayant des performances optimales pour obtenir le meilleur compromis entre l’énergie échangée dans le supercondensateur et l’efficacité sur la vitesse du groupe et sur l’amplitude des tensions de l’alternateur. Une commande par retour d’état avec intégration de l’écart en utilisant l’approche LMIs a été mise en place pour la synthèse des régulateurs des boucles de courants de l'onduleur. Une deuxième commande a été développée pour réguler la tension variable aux bornes du supercondensateur. Un simulateur regroupant l’alternateur et le système de stockage a été développé pour la mise au point de ces commandes. Toutes les validations ont été faites sur une maquette expérimentale spécifiquement élaborée pour cette thèse. Les essais ont été menés avec un moteur d’entraînement électrique et sur un diesel. En conclusion, les essais expérimentaux ont mis en évidence l’apport important de cette hybridation sur les variations de vitesse du diesel et sur la tension aux bornes de l’alternateur lors d’important impact ou de délestage de la charge.

Les travaux de recherche de la thèse de Rami Troudi répondent à trois problématiques : -la première est de concevoir un onduleur triphasé multiniveau pour des applications à base d’énergies renouvelables connectées au réseau de distribution, ou pour la motorisation des véhicules électriques. Dans la première application, l’utilisation de bras multiniveau limite fortement les inductances de couplage avec le réseau tandis que dans la deuxième application, le couple délivré par le moteur est de meilleure qualité. -la deuxième consiste à concevoir une structure de convertisseur DC-DC permettant de n’avoir qu’une seule source continue pour alimenter cet onduleur multiniveau. -la troisième est la conception d’une architecture de commande temps réel à base de microcontrôleurs permettant d’avoir une grande capacité d’évolution et de calcul et une facilité d’industrialisation. Le manuscrit de la thèse est organisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente un état de l’art des structures d’onduleur multiniveau. Cette technologie est devenue aujourd’hui un thème de recherche important. Ce chapitre donne les avantages et les inconvénients de chaque topologie d’onduleur multiniveau conventionnel ainsi que les nouvelles topologies permettant une réduction du nombre de composants. Ce chapitre fait aussi un état de l’art des structures de hacheurs avec une ou plusieurs entrées-sorties (MISO, MIMO et SIMO). Ce chapitre présente aussi les avantages et les inconvénients de chaque famille de structure avec leur commande. La fin du chapitre présente les nouvelles topologies retenues pour l’onduleur multiniveau et le hacheur SIQO (une entrée-quatre sorties). Le deuxième chapitre est consacré à la présentation de la structure de l’onduleur multiniveau proposé, ainsi qu’à l’étude de son mode de fonctionnement, de sa commande rapprochée et de son utilisation dans une application en boucle fermée. Ce chapitre montre que cette structure a l’avantage de minimiser les pertes dans les composants de puissance en ayant, à chaque instant, peu de composants qui conduisent le courant de chaque bras, ce qui permet d’augmenter son rendement. En plus, ce chapitre montre la simplicité de la commande rapprochée de l’onduleur en utilisant un algorithme très simple. Des essais expérimentaux sont donnés à la fin du chapitre après le descriptif de la maquette d’essai. Le troisième chapitre traite en détail la structure du convertisseur DC-DC SIQO utilisé pour alimenter l’onduleur multiniveau, son mode de fonctionnement, sa modélisation et le développement d’une commande multi-entrée multi-sortie (MIMO). Cette structure est conçue à partir d’un couplage de la structure SEPIC avec la structure à accumulation magnétique et du dédoublement de chaque sortie par un système d’aiguillage qui permet ainsi d’obtenir quatre sorties à partir d’une seule entrée DC. Chaque structure (SEPIC et à accumulation) gère deux sorties avec le calcul de deux rapports cycliques. Pour cela, une synthèse d’asservissement basée sur une méthode H_∞ est présentée pour être robuste aux variations des courants et aux changements de consigne. Les résultats des essais expérimentaux sont donnés à la fin du chapitre après le descriptif de la maquette d’essai. Le chapitre quatre aborde le développement de l’architecture de commande à base de microcontrôleurs. Cette structure est appliquée au contrôle de l’onduleur triphasé. Ce chapitre décrit toutes les fonctions qui composent cette architecture au niveau matériel et logiciel. Le fait de répartir les besoins matériels et algorithmiques sur plusieurs microcontrôleurs permet de faciliter l’évolution des demandes de fonctions supplémentaires à savoir le diagnostic et la reconfiguration d’un bras, ainsi que l’ajout de la fonction de filtrage actif. Cette architecture repose sur une communication par bus SPI (Serial Peripheral Interface) qui permet des échanges rapides entre les microcontrôleurs et aussi vers un système IHM (Interface Homme Machine).