This book proposes systemic design methodologies applied to electrical energy systems, in particular integrated optimal design with modeling and optimization methods and tools. It is made up of six chapters dedicated to integrated optimal design. First, the signal processing of mission profiles and system environment variables are discussed. Then, optimization-oriented analytical models, methods and tools (design frameworks) are proposed. A “multi-level optimization” smartly coupling several optimization processes is the subject of one chapter. Finally, a technico-economic optimization especially dedicated to electrical grids completes the book. The aim of this book is to summarize design methodologies based in particular on a systemic viewpoint, by considering the system as a whole. These methods and tools are proposed by the most important French research laboratories, which have many scientific partnerships with other European and international research institutions. Scientists and engineers in the field of electrical engineering, especially teachers/researchers because of the focus on methodological issues, will find this book extremely useful, as will PhD and Masters students in this field.

Dans le domaine de l'électromagnétisme, les réseaux de réluctances sont parfaitement adaptés aux problématiques de pré-dimensionnement. Leur mise en équations est cependant une tâche fastidieuse et souvent source d'erreurs, et souffre d'un manque d'outil adapté. Nous nous proposons ici de formuler cette méthode dans le cas général, puis de l'implémenter dans un outil dédié. Afin d'enrichir les modèles, le calcul des énergies et de la force sont également proposés, ainsi que sa dérivation automatique pour assurer sa compatibilité avec des algorithmes d'optimisation utilisant les gradients. La problématique de simulation des régimes transitoires est également abordée à travers une méthodologie permettant de mettre en place des modèles dynamiques faisant intervenir les couplages avec les parties électrique et mécanique. Une attention particulière est portée sur leur formulation en vue de l'intégration des équations différentielles par des méthodes numériques.

Au cours de la phase de conception des actionneurs électromagnétiques, le concepteur a besoin d'outils de calcul rapides qui lui permettent de mieux comprendre et analyser les dispositifs sur lesquels il travaille. De la même manière, il doit pouvoir disposer d'outils de dimensionnement lui permettant de résoudre des problèmes inverses par des algorithmes d'optimisation, notamment ceux utilisant les gradients. Dans le domaine de l'électromagnétisme, les réseaux de réluctances sont parfaitement adaptés à ces problématiques de prédimensionnement. Leur mise en équations est cependant une tâche fastidieuse et souvent source d'erreurs, et le concepteur souffre d'un manque d'outil adapté pour créer de tels modèles. Nous nous proposons donc ici de formuler cette méthode dans le cas général, puis de l'implémenter dans un outil dédié afin d'automatiser le processus de création du modèle à partir des informations métier connues du concepteur. Afin d'enrichir les modèles, le calcul des énergies et de la force sont également proposés. Enfin une dérivation automatique du modèle permet sa compatibilité avec des algorithmes d'optimisation utilisant les gradients. La problématique de simulation des régimes transitoires est également abordée à travers une méthodologie permettant de mettre en place des modèles dynamiques faisant intervenir les couplages avec les parties électrique et mécanique. Une attention particulière est portée sur leur formulation en vue de l'intégration des équations différentielles par des méthodes numériques.

De nos jours, les outils de CAO contribuent grandement à réduire le coût et le temps de la phase de conception des produits technologiques, donc celle des actionneurs et les capteurs électromagnétiques. Ces travaux de thèse portent sur la considération de différentes problématiques pour réaliser la simulation dynamique de ces dispositifs dans le logiciel RelucTool, un outil de modélisation dédié aux actionneurs et capteurs électromagnétiques via l'approche des réseaux de réluctances. Cet outil, initialement développé lors de la these de B. du Peloux était capable de réaliser le calcul et l'optimisation statique. Afin de prendre en compte le fonctionnement dynamique, de nouveaux modèles de matériaux magnétiques et de nouvelles méthodes de résolution sont étudiés et mis en place. L'implémentation de tous ces éléments dans RelucTool est réalisée en suivant une méthodologie spécifique en génie logiciel pour la capitalisation des modèles.

Le contexte économique impose des systèmes toujours plus performants, minimisant coûts d’investissement et de possession. Si les méthodes d’analyse, de synthèse et de gestion présentées dans le premier volume Conception systémique pour la conversion d’énergie électrique 1 participent à l’optimisation des systèmes énergétiques, les techniques traitées dans cet ouvrage proposent d’aller encore plus loin dans la performance. La complexité de systèmes multidisciplinaires à fort degré de couplage augmentant, le processus de conception par optimisation consistant à coupler un modèle à un algorithme d’optimisation au sein d’un environnement logiciel devient dès lors indispensable. Ce volume rassemble les points-clés permettant de représenter efficacement et de façon compacte l’environnement système et les profils de mission, mais également les méthodes, modèles et outils dédiés à l’optimisation. Les approches multiniveaux de conception et l’optimisation technico-économique des réseaux électriques sont particulièrement détaillées.

La modélisation des systèmes électromagnétiques est envisagée dans ce travail par l'association de deux méthodes : la méthode des réseaux de perméances d'une part et la méthode bond-graph d'autre part. L'approche par les réseaux de perméances consiste à associer à un système un circuit magnétique équivalent comportant des sources (sources de force magnétomotrice et de dérivée de flux magnétique) et des perméances. Pour ce faire, une étude préalable par un logiciel de simulation par la méthode des éléments finis permet d'établir la topologie des tubes de flux auxquels seront associées les perméances du circuit magnétique équivalent et de calculer les valeurs de ces dernières. Les perméances sont par ailleurs variables en fonction du flux afin de prendre en compte la saturation magnétique. La technique bond-graph permet d'étudier par une même approche les parties électrique, magnétique et mécanique du système en assurant le couplage entre ces domaines. Cette méthode autorise le regroupement sur un schéma unique de l'ensemble des sous-systèmes liés à chaque discipline rencontrée au cours du problème. La méthode décrite est appliquée à la modélisation d'un moteur asynchrone à cage d'écureuil alimente par une source sinusoïdale ; les résultats obtenus sont dans un premier temps comparés aux résultats issus d'un calcul par éléments finis, ainsi qu'a ceux donnés par la modélisation analytique. Des essais expérimentaux viennent corroborer dans un deuxième temps ces résultats. Au vu des temps de calcul nécessaires, cette étude permet de placer la méthode des réseaux de perméances comme un bon compromis du point de vue rapidité d'exécution-précision des résultats par rapport aux méthodes classiques. La simulation de la commande vectorielle de la machine dans son environnement est ensuite envisagée. Ce type de commande est élaboré à partir d'un modèle simplifié de la machine, ne prenant pas en compte la non-linéarité des matériaux magnétiques. La méthode utilisée permet quant à elle la considération de cet effet. Le modèle proposé permet donc l'étude du comportement de la machine face à son environnement de commande et met donc notamment en évidence les disfonctionnements consécutifs à la saturation magnétique.

This book presents papers covering a wide spectrum of theory and practice, deeply rooted in engineering problems at a high practical and theoretical level. The contents explore theory, control systems and applications, the heart of the matter in electrical drives.