M2 Formation à l'enseignement supérieur en Physique des Systèmes d'Energie électrique et Electroniques

Devoir de positionnement sur les prérequis, l’identification et la correction (DS) 
Séance 1 : 
Retour sur la linéarité, point de repos, talon (2h) 
Dimensionnement fréquentiel P, PI, PID, Ziegler Nichols BO et BF (2h)
Séance 2 :
Confrontation à un cas concret de correction (cas d’étude Thermique bâtiment) (4h) 
TP1 : Asservissement d’un système par un P, PI, PID (4h) 
Séance 3 :
Cas d’étude (a) sur l’influence de la numérisation (2h) 
Numérisation des systèmes temps continu, transformée en Z (2h) 
Séance 4 :
Retour sur le cas d’étude (a) avec la TZ, correction proportionnel (2h)
Séance 5 :
Correcteur RST (2h) 
Application sur un système à l’aide de la plateforme STEEVE (2h) 
Séance 6 : 
Plan de phase et application à un cas concret (MCC avec zone morte) (2h + 2h) 
TP2 : Pont de Wien (4h) 
TP3 : Boucle à verrouillage de phase (4h)
Séance 7 : 
Commande par mode glissant (2h) 
Séance 8 :
Application à la commande hacheur (4h)

Séance 1 :
Identifications temporelle et fréquentielle des systèmes (2h) 
Application de l’identification à des systèmes (2h) 
Séance 2 :
Modélisation par retour d’état (4h) 
Séance 3 :
Application de la commande par retour d’état avec action intégrale (4h)
Séance 4 :
BE : Application machine synchrone et transformée de Park (4h)
Séance 5 :
Modélisation par REM (4h) 
Séance 6 :
Application de la REM à un cas d’électromobilité (4h)
TP 1 : Application de la REM à un cas d’électromobilité (4h)

Approche composant, physique/technologique, en lien avec les applications (capteurs, MEMS, télécom optiques, …) : Séance 1 (4h cours/TD) : physique de base des matériaux à semi-conducteur et du transport de charge. Séance 2 et 4 (4h cours/TD) :  Introduction aux technologies de micro/nano fabrications et à la physique des différentes technologies de transistors numériques et RF. Séance 3 : TP1 4h :simulation de procédés de fabrication & visite salle blanche. Séance 5 TP2 4h simulation de diode PN et transistor à effet de champ, Séance 6 : (4h cours/TD - leçon ?? ) lien physique&odele petit signaux des composants, ampli A et porte logique, Séance 7 : TP3 Oscillateur à FET. Séance 8 : TP4 ampli cascode.

Plan du cours (16h)
1. Capteurs et instrumentation
1.1. Introduction : 
1.1.1. De l’utilité des capteurs ? 
1.1.2. Rôle de l’instrumentation 
1.1.3. Un peu de vocabulaire 
1.2. Capteurs :
1.2.1. Généralités 
1.2.2. QQ grands types de capteurs 
1.2.3. Exemples 
1.2.4. Caractéristiques 
1.2.5. Erreurs de mesure
2. Instrumentation :
2.1. Conditionneurs 
2.2. Amplification
3. Capteurs magnétiques et applications industrielles
3.1. Généralités 
3.2. Capteurs inductifs 
3.3. Capteurs de Hall
3.4. Magnétorésistances anisotropes (AMR)
3.5. Magnétorésistances géantes (GMR)
3.6. FluxGates
Travaux pratiques (12h)
1. Evaluation non destructive de la conductivité et de l’épaisseur de pièces métalliques au moyen d’un capteur à courants de Foucault : modélisation et mise en œuvre expérimentale.
2. Mesure linéaire de champ magnétique au moyen d’un capteur GMR à compensation de flux : simulation, mise en œuvre et caractérisation du système.

Après une brève évaluation interactive (Kahoot), l'UE débute par une leçon (présentée par un étudiant)     permettant, partant de la structure de base d'une chaine de traitement numérique de l'information, de faire des rappels sur la théorie de l'échantillonnage, la quantification des signaux, et sur les principes de la conversion analogique/numérique et numérique analogique. Les différentes techniques "classiques" de conversion sont ensuite étudiées, avec une approche technologique, une étude des performances des convertisseurs actuels, et un lien avec les applications. Une mise en œuvre est proposée en TP sur des convertisseurs intégrés sur µC (avec rappels de programmation en C). La suite aborde les techniques de conversion "avancées" : Sigma-Delta, convertisseurs entrelacés, pipeline, .... Les techniques de suréchantillonnage, mise en forme de bruit, filtrage numérique ... sont étudiées, avec illustration via des simulations/études de cas dans le cadre d'un TD. Les techniques de conversion de type MLI sont ensuite détaillées, avec une analyse fine de l'amplification en classe D (rappels sur les classes d'ampli, sur les indicateurs de performance THD, rendement, IM, ... Ces rappels et compléments font l'objet d'un TP). L'UE se termine par 3 séances de "BE" : conception, réalisation et caractérisation d'un amplificateur de classe D. C'est l'occasion de découvrir les problématiques de commande rapprochée, de circuit d'isolation (optique, capacitive, galvanique ...), ... relatives à l'électronique d'interface, et de remettre en œuvre (programmer) un µC.

Cette unité d’enseignement présente des matériaux utilisés par le génie électrique, que ce soit pour la conversion de l’énergie, le transport ou le stockage de l’énergie électrique. Elle doit permettre aux étudiants d’acquérir des notions sur les principes physiques qui expliquent les propriétés de ces matériaux, sur les enjeux technologiques associés à leur mise en application, et plus généralement une culture scientifique sur le sujet.

L’enseignement portera sur les dispositifs électrochimiques de stockage (y compris les piles à combustible), les matériaux ferroélectriques et ferromagnétiques et leurs pertes, la modélisation des pertes par hystérésis, et comprendra une découverte des matériaux supraconducteurs.

Plan :

• Stockage électrochimique

Principes du stockage électrochimique, charge et décharge des accumulateurs, caractérisation et estimation de l’état de charge, pertes dans les accumulateurs et système de gestion de batterie, production de l’hydrogène et pile à combustible.

• Matériaux pour l’énergie électrique, conducteurs, ferromagnétiques, ferroélectriques

Équations de Maxwell dans la matière, propriétés électromagnétiques des matériaux. Ferromagnétisme, de l’atome au matériau. Dimensionnement de composants passifs principes et limitations.

• Modélisation des pertes fer et applications

Pertes par hystérésis, calcul des pertes par courants de Foucault, pertes supplémentaires, mesure des pertes en fonction de l’induction et de la fréquence, application aux transformateurs de distribution et aux convertisseurs DC/DC. 

• Supraconducteurs

Phénomène de supraconductivité, effet Meissner, types de supraconducteurs, application à la production de champ magnétique et au transport de l’électricité.

Le module va utiliser l’électromagnétisme afin d’étudier les fondements des systèmes de conversion électromécanique. Il doit permettre aux étudiants d’exploiter les interactions électromagnétiques pour comprendre et concevoir des machines électriques. Après avoir revisité les machines synchrones et asynchrones, nous présenterons brièvement les modèles classiquement utilisés pour assurer leurs contrôles/commandes. Après avoir consolidé notre méthodologie sur des machines électriques tournantes, nous étudierons des systèmes plus originaux (Maglev, machine à supraconducteur, à flux axial, réluctance variable, etc.).

Pour des études plus approfondies dans les commandes vectorielles des machines électriques, des partenariats sont envisagés avec les enseignants du bloc disciplinaire « Modélisation et contrôle des systèmes ».

Ce module traite de la modélisation et de l’analyse des convertisseurs statiques de puissance. Il doit permettre aux étudiants d’acquérir les méthodes d’analyse et de dimensionnement de ces structures. Après avoir rappelé les principes fondamentaux de l’électronique de puissance, ceux-ci seront exploités sur les structures les plus classiques. Des structures plus complexes et faisant intervenir des concepts essentiels pour comprendre les évolutions de l’électronique de puissance seront abordées par la suite comme par exemple la commutation douce ou bien encore la modularité et l’entrelacement de structures de convertisseurs élémentaires.

Dans cette unité d’enseignement est abordée l’étude dans sa globalité du vecteur électricité dans la conversion d’énergie : de la production à sa transformation en passant par le transport.

Pour l’étude du transport et de la distribution de l’électricité, sont aussi bien abordés les constituants physiques comme par exemple les transformateurs et les disjoncteurs, que les outils mathématiques pour l’analyse des systèmes triphasés (composantes symétriques, modèles équivalents monophasés).

En relation avec le cours d’électronique de puissance, les systèmes électriques seront étudiés dans leurs environnements (réseau d’alimentation, charge mécanique…)

La théorie des plasmas s’appuie sur la théorie électromagnétique des phénomènes électriques, magnétiques et optiques et donc une bonne maitrise de cette discipline est recommandée.

Pour ce qui est matériaux piézoélectriques, les étudiants doivent avoir des notions concernant l’électrostatique, les matériaux diélectriques et la mécanique des milieux continus.

Mathématiques : des notions élémentaires de géométrie dans l’espace ; la transformée de Fourier.
Physique : notions élémentaires d’optique géométrique et ondulatoire et d’électromagnétisme (pour la visite de Soleil).

Des connaissances de base en électrostatique et en électromagnétisme sont nécessaires.

Devoir de positionnement sur les prérequis, l’identification et la correction (DS) 
Séance 1 : 
Retour sur la linéarité, point de repos, talon (2h) 
Dimensionnement fréquentiel P, PI, PID, Ziegler Nichols BO et BF (2h)
Séance 2 :
Confrontation à un cas concret de correction (cas d’étude Thermique bâtiment) (4h) 
TP1 : Asservissement d’un système par un P, PI, PID (4h) 
Séance 3 :
Cas d’étude (a) sur l’influence de la numérisation (2h) 
Numérisation des systèmes temps continu, transformée en Z (2h) 
Séance 4 :
Retour sur le cas d’étude (a) avec la TZ, correction proportionnel (2h)
Séance 5 :
Correcteur RST (2h) 
Application sur un système à l’aide de la plateforme STEEVE (2h) 
Séance 6 : 
Plan de phase et application à un cas concret (MCC avec zone morte) (2h + 2h) 
TP2 : Pont de Wien (4h) 
TP3 : Boucle à verrouillage de phase (4h)
Séance 7 : 
Commande par mode glissant (2h) 
Séance 8 :
Application à la commande hacheur (4h)

Séance 1 :
Identifications temporelle et fréquentielle des systèmes (2h) 
Application de l’identification à des systèmes (2h) 
Séance 2 :
Modélisation par retour d’état (4h) 
Séance 3 :
Application de la commande par retour d’état avec action intégrale (4h)
Séance 4 :
BE : Application machine synchrone et transformée de Park (4h)
Séance 5 :
Modélisation par REM (4h) 
Séance 6 :
Application de la REM à un cas d’électromobilité (4h)
TP 1 : Application de la REM à un cas d’électromobilité (4h)

Approche composant, physique/technologique, en lien avec les applications (capteurs, MEMS, télécom optiques, …) : Séance 1 (4h cours/TD) : physique de base des matériaux à semi-conducteur et du transport de charge. Séance 2 et 4 (4h cours/TD) :  Introduction aux technologies de micro/nano fabrications et à la physique des différentes technologies de transistors numériques et RF. Séance 3 : TP1 4h :simulation de procédés de fabrication & visite salle blanche. Séance 5 TP2 4h simulation de diode PN et transistor à effet de champ, Séance 6 : (4h cours/TD - leçon ?? ) lien physique&odele petit signaux des composants, ampli A et porte logique, Séance 7 : TP3 Oscillateur à FET. Séance 8 : TP4 ampli cascode.

Plan du cours (16h)
1. Capteurs et instrumentation
1.1. Introduction : 
1.1.1. De l’utilité des capteurs ? 
1.1.2. Rôle de l’instrumentation 
1.1.3. Un peu de vocabulaire 
1.2. Capteurs :
1.2.1. Généralités 
1.2.2. QQ grands types de capteurs 
1.2.3. Exemples 
1.2.4. Caractéristiques 
1.2.5. Erreurs de mesure
2. Instrumentation :
2.1. Conditionneurs 
2.2. Amplification
3. Capteurs magnétiques et applications industrielles
3.1. Généralités 
3.2. Capteurs inductifs 
3.3. Capteurs de Hall
3.4. Magnétorésistances anisotropes (AMR)
3.5. Magnétorésistances géantes (GMR)
3.6. FluxGates
Travaux pratiques (12h)
1. Evaluation non destructive de la conductivité et de l’épaisseur de pièces métalliques au moyen d’un capteur à courants de Foucault : modélisation et mise en œuvre expérimentale.
2. Mesure linéaire de champ magnétique au moyen d’un capteur GMR à compensation de flux : simulation, mise en œuvre et caractérisation du système.

Après une brève évaluation interactive (Kahoot), l'UE débute par une leçon (présentée par un étudiant)     permettant, partant de la structure de base d'une chaine de traitement numérique de l'information, de faire des rappels sur la théorie de l'échantillonnage, la quantification des signaux, et sur les principes de la conversion analogique/numérique et numérique analogique. Les différentes techniques "classiques" de conversion sont ensuite étudiées, avec une approche technologique, une étude des performances des convertisseurs actuels, et un lien avec les applications. Une mise en œuvre est proposée en TP sur des convertisseurs intégrés sur µC (avec rappels de programmation en C). La suite aborde les techniques de conversion "avancées" : Sigma-Delta, convertisseurs entrelacés, pipeline, .... Les techniques de suréchantillonnage, mise en forme de bruit, filtrage numérique ... sont étudiées, avec illustration via des simulations/études de cas dans le cadre d'un TD. Les techniques de conversion de type MLI sont ensuite détaillées, avec une analyse fine de l'amplification en classe D (rappels sur les classes d'ampli, sur les indicateurs de performance THD, rendement, IM, ... Ces rappels et compléments font l'objet d'un TP). L'UE se termine par 3 séances de "BE" : conception, réalisation et caractérisation d'un amplificateur de classe D. C'est l'occasion de découvrir les problématiques de commande rapprochée, de circuit d'isolation (optique, capacitive, galvanique ...), ... relatives à l'électronique d'interface, et de remettre en œuvre (programmer) un µC.

Cette unité d’enseignement présente des matériaux utilisés par le génie électrique, que ce soit pour la conversion de l’énergie, le transport ou le stockage de l’énergie électrique. Elle doit permettre aux étudiants d’acquérir des notions sur les principes physiques qui expliquent les propriétés de ces matériaux, sur les enjeux technologiques associés à leur mise en application, et plus généralement une culture scientifique sur le sujet.

L’enseignement portera sur les dispositifs électrochimiques de stockage (y compris les piles à combustible), les matériaux ferroélectriques et ferromagnétiques et leurs pertes, la modélisation des pertes par hystérésis, et comprendra une découverte des matériaux supraconducteurs.

Plan :

• Stockage électrochimique

Principes du stockage électrochimique, charge et décharge des accumulateurs, caractérisation et estimation de l’état de charge, pertes dans les accumulateurs et système de gestion de batterie, production de l’hydrogène et pile à combustible.

• Matériaux pour l’énergie électrique, conducteurs, ferromagnétiques, ferroélectriques

Équations de Maxwell dans la matière, propriétés électromagnétiques des matériaux. Ferromagnétisme, de l’atome au matériau. Dimensionnement de composants passifs principes et limitations.

• Modélisation des pertes fer et applications

Pertes par hystérésis, calcul des pertes par courants de Foucault, pertes supplémentaires, mesure des pertes en fonction de l’induction et de la fréquence, application aux transformateurs de distribution et aux convertisseurs DC/DC. 

• Supraconducteurs

Phénomène de supraconductivité, effet Meissner, types de supraconducteurs, application à la production de champ magnétique et au transport de l’électricité.

Le module va utiliser l’électromagnétisme afin d’étudier les fondements des systèmes de conversion électromécanique. Il doit permettre aux étudiants d’exploiter les interactions électromagnétiques pour comprendre et concevoir des machines électriques. Après avoir revisité les machines synchrones et asynchrones, nous présenterons brièvement les modèles classiquement utilisés pour assurer leurs contrôles/commandes. Après avoir consolidé notre méthodologie sur des machines électriques tournantes, nous étudierons des systèmes plus originaux (Maglev, machine à supraconducteur, à flux axial, réluctance variable, etc.).

Pour des études plus approfondies dans les commandes vectorielles des machines électriques, des partenariats sont envisagés avec les enseignants du bloc disciplinaire « Modélisation et contrôle des systèmes ».

Ce module traite de la modélisation et de l’analyse des convertisseurs statiques de puissance. Il doit permettre aux étudiants d’acquérir les méthodes d’analyse et de dimensionnement de ces structures. Après avoir rappelé les principes fondamentaux de l’électronique de puissance, ceux-ci seront exploités sur les structures les plus classiques. Des structures plus complexes et faisant intervenir des concepts essentiels pour comprendre les évolutions de l’électronique de puissance seront abordées par la suite comme par exemple la commutation douce ou bien encore la modularité et l’entrelacement de structures de convertisseurs élémentaires.

Dans cette unité d’enseignement est abordée l’étude dans sa globalité du vecteur électricité dans la conversion d’énergie : de la production à sa transformation en passant par le transport.

Pour l’étude du transport et de la distribution de l’électricité, sont aussi bien abordés les constituants physiques comme par exemple les transformateurs et les disjoncteurs, que les outils mathématiques pour l’analyse des systèmes triphasés (composantes symétriques, modèles équivalents monophasés).

En relation avec le cours d’électronique de puissance, les systèmes électriques seront étudiés dans leurs environnements (réseau d’alimentation, charge mécanique…)

La théorie des plasmas s’appuie sur la théorie électromagnétique des phénomènes électriques, magnétiques et optiques et donc une bonne maitrise de cette discipline est recommandée.

Pour ce qui est matériaux piézoélectriques, les étudiants doivent avoir des notions concernant l’électrostatique, les matériaux diélectriques et la mécanique des milieux continus.

Mathématiques : des notions élémentaires de géométrie dans l’espace ; la transformée de Fourier.
Physique : notions élémentaires d’optique géométrique et ondulatoire et d’électromagnétisme (pour la visite de Soleil).

Des connaissances de base en électrostatique et en électromagnétisme sont nécessaires.