M2 Physique et Ingénierie de l'Energie (PIE) : Systèmes électriques pour l'énergie et la mobilité

Background knowledge in electromagnetism, electromechanical systems and power electronics

-Introduction and principles of electromechanical conversion

• Overview of modern electromechanical converters 
• Key physical quantities in electrical machines 
• Fundamentals of electromechanical conversion 
• Virtual work method for analyzing electrical machines 

-Synchronous electrical machines

• Wound-rotor synchronous machines 
• Permanent magnet synchronous machines 
• Synchronous reluctance machines 

-Study of synchronous machines using Matlab-Simulink

• Characterization of elementary machines via finite element analysis 
• Analysis of different types of torque 
• Study under mechanical load conditions 
• Grid-connected machines 

-Dynamic modeling and basics of vector control

• Calculation of machine inductances (for both smooth-airgap and salient-pole configurations)
• Development of the dynamic model of an induction machine
• Development of the dynamic model of a salient-pole synchronous machine
• Presentation of the main transformations (Concordia and Park), and calculation of the corresponding transformation matrices based on the physical properties to be preserved
• Application of the transformations to the squirrel-cage induction motor and to the salient-pole synchronous machine, including the selection of different Park reference frames
• Introduction to the principle of aligning the d-axis of the Park’s reference frame with the rotor flux vector, and raising student awareness of the similarities between this decoupled control strategy and that of a separately excited DC machine

First, to provide an overview of electrical machines, focusing on their operating principles and the calculation of key parameters such as flux linkages, voltage, torque, and losses. Additionally, the course covers both traditional and modern modelling techniques, with an emphasis on dynamic and vector-based modelling of AC motors.

8 three-hour sessions: 14 hours of lectures, 6 hours of tutorials, 4 hours of practical works (modelling/simulation)

This course enables students to deepen their understanding of modern electrical machines. They will be able to derive the models of electrical machines and operate them under optimal conditions.

“Induction Machines Handbook: Transients, Control Principles, Design and Testing”, Ion Boldea, CRC Press, 3rd Edition (2020) 

“Electric Machinery” A. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., S. D. Umans, McGraw-Hill Professional

“Electric Machines and Drives: Principles, Control, Modelling, and Simulation”, Ned Mohan, Wiley (2011)

Matériaux magnétiques; origine du magnétisme, moment magnétique des ions et des métaux, ordre magnétique
Matériaux magnétiques; magnétisme macroscopique, aimantation, hystérésis, anisotropie
Matériaux magnétiques; familles de matériaux doux et durs
Semi-conducteurs: Structure de bande électronique, électrons dans un solide et transport
Semi-conducteurs: matériaux semi-conducteurs: généralité et diagramme des bandes
Semi-conducteurs: Dispositifs pour l'électronique : Jonction PN, Schottky, Métal-Oxyde-Semiconducteur.

• Matériaux magnétiques:  F. Mazaleyrat; cours 12h
• Semi-conducteurs: A. Bournel, cours 9h, S. Le Gall TD 3h

Bases de l'électronique de puissance avec les différents calculs de puissances, le facteur de puissance, la représentation de Fresnel. Notions de base sur les inductance et les transformateurs

• La cellule de commutation principe et technologie
• Exemples d'applications des convertisseurs électronique de puissance ; étude des structures (Onduleur photovoltaïque (Boost + onduleur) ; alimentation isolée (Flyback) ; Ballast électronique pour éclairage (PFC) ; Drive pour moteur brushless
• Semiconducteurs pour l'électronique de puissance
• Les composants passifs en électronique de puissance (technologie)+dimensionnement
• Réalisation et le dimensionnement des composants magnétiques (inductance et transformateur)
• Modélisation des convertisseurs en vue de la commande.

Ce cours développera les bases de l'électronique de puissance et de la conversion d'énergie afin d'en comprendre les tenants et aboutissants et quels sont les verrous qui limitent l'industrie actuelle. Nous commencerons par expliquer pourquoi le découpage dans les alimentations stabilisées, quels filtres sont utilisés, et comment réguler une tension de sortie. Nous verrons ainsi sur les deux premières séances les différentes possibilité de convertisseur, isolé et non isolés. Ensuite nous ferons un point sur la réalisation et le dimensionnement des composants magnétiques (inductance et transformateur) et sur les composants à semi-conducteurs utilisés pour l'électronique de puissance. Nous préciserons enfin les différents convertisseurs existants avec les avantages et inconvénients.

-La cellule de commutation principe et technologie : enseignant Lévy ; cours 3h -Exemples d'applications des convertisseurs électronique de puissance : enseignant Lévy ; cours 2x3h, TD 2x1,5h -Semiconducteurs pour l'électronique de puissance : enseignant Tanguy Phulpin

Composants à semi-conducteurs (O. Bonnaud)

Du composant magnétique à l'électronique de puissance (D. Sadarnac)

http://www.composelec.com.

Bases de programmation et de mathématique

• Formulation d'un problème d'optimisation, application des méthodes d'optimisation.
• Optimisation système des systèmes d'énergie.
• Optimisation avec et sans gradient.  Optimisation stochastique (recuit simulé, génétique, évolution différentielle).
• Les principes d'optimisation multiobjectifs (front de pareto, calcul classique, NSGA).
• Éco-optimisation : cette partie du cours aborde les notions d'impacts environnementaux, de ressources renouvelables. et non-renouvelables, analyse sur cycle de vie, éco-conception et enfin éco-optimisation. Cette dernière notion est relative à l'optimisation du dimensionnement des systèmes électrique sur la base des performances classique mais aussi des performances environnementales. Des exemples et cas d'études sont détaillés.

savoir mettre en place une procédure d'optimisation, utiliser les méthodes de résolution, éco-conception.

18h de cours magistraux et 8h de TD  numériques

Analyser, concevoir et optimiser des systèmes complexes;

Méthodes numériques et optimisation - Théorie et pratique pour l'ingénieur  Corriou Jean-Pierre

Éléments généraux d'électrotechniques (systèmes triphasés, puissances, machine synchrone).

.Présentation et organisation du secteur de l'énergie électrique (production, transport et distribution), architecture des réseaux de transport et distribution. Modélisation des éléments du réseau : lignes, câbles, transformateurs, charges et générateurs.
Méthode de calcul des transits de puissance (Load-flow) dans les réseaux maillés.
Réglage de tension dans les réseaux de transport et distribution.
Réglage de fréquence sur un réseau AC

choisir le bon niveau de modélisation des composants d’un réseau électrique, calculer la répartition des flux de puissance et les variations de tension dans les réseaux de transport et distribution. Déterminer l’impact des déséquilibres entre production et consommation sur la fréquence du réseau, et les échanges aux frontières.

21h de cours et 3h de TD

• Analyser le comportement global du système électrique, avec ses dimensions scientifiques,technologiques et sociétales.
• Estimer les valeurs de paramètres pour un modèle de composants de réseau à partir de données géométriques et des matériaux. Définir les critères de performance du modèle
• Simuler, réaliser et valider une partie d’un système électrique.

polycopié et notes de cours.

Thermodynamique de premier cycle, bases de la mécanique de milieux continus, d'électromagnétisme et de thermique.

Notion de loi de comportement, comportement mécanique, magnétique, diélectrique des matériaux, cas de la piézoélectricité, cas du couplage magnéto-mécanique.

Etre capable de décrire le comportement des matériaux du Génie Electrique soumis à des sollicitations multiphysiques. Maîtriser la notion de loi de comportement, dans un cadre thermodynamique rigoureux. Savoir décrire les cas du comportement électromécanique, magnétomécanique, électrocalorique, magnétocalorique.

Cours & travaux diriges

Le cours de physique de Feynan vol Mécanique 2, chapitres 44 et 45
E. Fermi, Thermodynamics, Dover
D. L. Goodstein, States of Matter, Dover, chapitre 1 pp. 1-26
J. Lemaitre, J.L. Chaboche, Mécanique des matériaux solides, Dunod.

Partial derivatives, vector operators, first- and second-order differential equations, elements of linear algebra

Examples of boundary value problems in physics (electromagnetism, heat transfer, etc.); Maxwell's equations, heat diffusion equation...
Finite differences: classical schemes for diffusion, FDTD
Finite elements: variational formulation, nodal elements, edge elements. Application to static problems
Application of the finite element method to solving an academic problem
Magnetodynamics and waves, numerical modeling of time-dependent problems
Integral equations for 2D electrostatic problems
Numerical modeling of multiphysics couplings: from material to system (piezoelectricity, magneto-mechanical problems, vibroacoustics...). Solving linear and nonlinear problems

Give an overview of main numerical methods applied to electromagnetics and other physical phenomena.

• Academic courses (18h) ;
•  Exercices and application of numerical modeling using a commercial software tool, and implementation of course concepts in appropriate tools (6h)

• Knowledge of the main concepts related to the discretization of Maxwell's equations for the design of electromagnetic systems. 
• Ability to implement appropriate numerical methods and use electromagnetic simulation tools.

M.N.O SADIKU, Numerical Methods in Electromagnetics, 2nd edition, CRC Press, 2001.

Basic knowledge of electrical engineering (three-phase systems, power, synchronous machines).

- Renewable energy sources (photovoltaic, wind, ...): Modelling and operation.
- Association of renewable energy sources with grid-tied power converters
- Integration of renewable energy sources into the electricity grid (challenges and solutions)
- Technical, economic, environmental, and societal dimensions
- Theoretical and industrial perspectives

Learn about the operation and integration of renewable energy sources into electrical grids.

Lectures and applied exercises during class sessions. Lecturers from CentraleSupélec and RTE (Réseau de Transport d’Électricité, the French electricity transmission system operator).

D. Borge-Diez, E. Rosales-Asensio, "Sustainable Energy Planning in Smart Grids", Elsevier;
V. Smil, "Energy Transitions: Global and National Perspectives", Praeger

il est souhaitable d'avoir des connaissances en électromagnétisme et en électonique de puissance

• Concepts de base sur les techniques de transmission d'énergie à distance (HF et BF)
• Principe du transfert sans contact par induction : coupleur, compensation et rendement
• Application au domaine automobile (recharge statique et dynamique)
• Méthodes et modèles de dimensionnement
• Électronique de puissance adaptée au système de transfert d'énergie sans contact
• Étude du rayonnement électromagnétique
• Bureau d'étude : Modélisation et validation expérimentale d'un système de recharge sans contact par induction.

Les techniques de recharge sans contact trouvent un intérêt dans différents domaines: systèmes de communication (téléphone portable, tablette,..), médical (antenne implantée, stimulateur cardiaque ou pacemaker, ...) et automobile (recharge de batteries).

 Ce cours vise à proposer des méthodologies pour le dimensionnement d’un système de recharge sans contact par couplage inductif de la source à la charge. Les aspects fonctionnels liés au système de recharge seront abordés ainsi que la problématique de l’exposition au champ magnétique généré par le coupleur électromagnétique. L’approche de modélisation envisagée doit pouvoir prendre en compte simultanément les différents aspects du problème posé (formes géométriques du coupleur, nature des matériaux, blindage, désalignement, environnement, nature des convertisseurs de puissance, …). La méthodologie proposée s’appuiera sur la combinaison d'outils de modélisation électromagnétique avec un outil de type circuit.

• 18h de cours 
• 6h de TP

• Identifier, formuler et analyser un problème dans ses dimensions scientifiques et économiques .
• Utiliser et développer les modèles adaptés, choisir la bonne échelle de modélisation et les hypothèses simplificatrices pertinentes pour traiter le problème
• Résoudre le problème avec une pratique de l'approximation, de la simulation et de l'expérimentation.

Ce module est destiné à approfondir le domaine de l’électronique de puissance tant sous les aspects des structures de conversion nouvelles, des technologies des composants de puissance que des applications avancées dans des domaines variés : transports terrestres et aériens, domotique et portable, applications industrielles, énergies renouvelables.

Enseignants: P.E. Levy et Adrien Voldoire

• commutation douce, circuits quasi résonants et résonants, DAB, LLC
• onduleur MLI, structures multiniveaux, entrelacées et couplées
• dimensionnement des composants et pertes dans les onduleurs
• redresseur à thyristor PFC mono, PFC triphasé, filtrage actif
• commande par retour d'état à partir des modèles petits signaux
• éléments sur l'intégration autour de la cellule de commutation : driver, mécanismes lors de la commutation, modules de puissance, etc...

Les blocs de 3h comprendront une partie cours, TD et TP sur machine afin d'illustrer chacun éléments du programme

Arc électrique (12h) • La physique de l’arc électrique • L’arc électrique en tant que défaut • La coupure Décharges électriques (9h) • Physique des décharges • Propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression atmosphérique Électrostatique et fiabilité des diélectriques (3h) • Phénomènes à champ élevé • Claquage électronique et thermique • Charge d’espace • Vieillissement

• Arc électrique : Cours 12h - Décharges électriques : Cours 9h ­- Électrostatique et fiabilité des diélectriques : Cours 3h.

Les bases de l'électromagnétisme

Principes et structures des machines non-conventionnelles :

• machines à réluctance à variable
• machines hybrides
• différents types de machines synchrones : machines à griffes, machines à commutation de flux, machines à double excitation..."

Modélisation de machines électriques non conventionnelles par éléments finis

Introduction à l'optimisation des machines non conventionnelles pour une application embarquée

Machines supraconductrices

• pour quelles applications ?
• machines rotatives et linéaires supraconductrices
• paliers magnétiques supraconducteurs".

• Principes et structures des machines non-conventionnelles : Enseignant S. Hlioui ; Cours 12h 
• Modélisation de machines électriques non conventionnelles par éléments finis : Enseignant S. Hlioui, T. Cherrière ; Projet 6h 
• Introduction à l'optimisation des machines non conventionnelles; T. Cherrière, 3h
• Machines supraconductrices; L. Quéval; 3h

Connaissance de base d’électrotechnique, problème harmonique, la base statistique

L’acquisition et l’analyse statistique de données massives variables, ainsi que leur intégration dans des modèles prédictifs, occupent une place centrale dans les systèmes énergétiques. Dans l’exercice de leurs activités, les opérateurs produisent, collectent, exploitent et transmettent d’ores et déjà aux parties prenantes divers types de données pour de nombreux usages. Avec le développement des technologies « smart » et l’augmentation croissante du volume de données collectées, parfois sensibles, de nouvelles opportunités se sont ouvertes pour le secteur. Les élèves doivent apprendre à manier et analyser ces données pour répondre à des problématiques diverses, dont l'identification et l'analyse des usages pour la maîtrise de la consommation d'énergie électrique.

-Cours 1: compteurs électriques, données de consommation et leur utilisation, analyse de la courbe de consommation (3h) -Cours 2: méthodes des statistiques appliquées à l’analyse de la consommation (3h) - Cours 3: méthodes de Machine learning (régressions.

Connaissances en électronique de puissance et en électromagnétisme

• Concepts de base de la CEM : sources, couplages, victimes et normes
• Modèles CEM des sources et des chemins de propagation pour les systèmes d'électronique de puissance
• Filtrage CEM des convertisseurs statiques, dimensionnement des filtres
• Étude du rayonnement électromagnétique des composants de puissance
• Instrumentation en CEM: Capteurs, appareils de mesure
• Bureau d'étude:  convertisseur DC/DC - hacheur Buck,

Cette unité d'enseignement fournit aux étudiants un ensemble de connaissances et d'outils de modélisation permettant la compréhension des problématiques liées à la compatibilité électromagnétique (CEM). Elle vise à sensibiliser les élèves sur les perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées générées par les convertisseurs de puissance et les solutions à apporter pour les réduire.

• 21h de cours + 3h TP

• Utiliser et développer les modèles adaptés, choisir la bonne échelle de modélisation et les hypothèses simplificatrices pertinentes 
• Savoir identifier un problème CEM
• Utiliser des outils de modélisation ( circuits et 3D) pour résoudre un problème CEM.

• R C. R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, A John Wiley & Sons, Inc, Wiley-Interscience, New York, 2006
• «Maitrise de la CEM» - Technologie, Réglementation & Norme – Références DUNOD

Cours de matériaux du génie électrique, tronc commun de cette formation

• Pertes par courants de Foucault, pertes dues aux parois de domaines (modèle de Pry et Bean)
• Pertes dans les matériaux doux, modèle de Bertotti
• Mesure des pertes (travaux pratiques)
• Simulation par éléments finis des pertes dans une machine synchrone (TP).

Ce cours a pour but d'étudier les pertes par courants de Foucault dans les tôles Fe-Si constituant les machines électriques. L’approche se veut progressive, allant de la vision classique des pertes jusqu’au modèle de Bertotti , en passant par le modèle de Pry et Bean. Dans un premier temps, le matériau ferromagnétique est vu comme un matériau magnétiquement homogène (caractérisé par sa seule perméabilité) et les pertes classiques sont déterminées. Dans un second temps, une structure régulière en domaine (du type tôle à grains orientés) est introduite et les courants se développant autour des parois en mouvement sont calculés, ainsi que les pertes associées. Enfin, les calculs sont généralisés pour une structure où les domaines sont orientés aléatoirement (modèle de Bertotti). L’origine des pertes excédentaires variant comme la racine carrée de la fréquence est mise en évidence.

• Structure en domaines: enseignant F. Mazaleyrat 3 h
• Pertes par courants de Foucault, pertes dues aux parois de domaines (modèle de Pry et Bean) : Enseignant V. Loyau ; Cours 3h, TD 3h
• Pertes dans les matériaux doux, modèle de Bertotti : Enseignant O. de la Barrière ; Cours 2h, TD 2h
• Simulation des pertes dans une machine électrique: Enseignant O. de la Barrière; TP 3h
• Mesure des pertes: Enseignant O. de la Barrière, F. Mazaleyrat; TP 8h

G. Bertotti, Hysteresis in magnetism, Academic Press

F. Fiorillo, Measurements and characterization of magnetic materials

P. Brissonneau, Magnétisme et matériaux magnétiques, Hermes

Principe des machines électriques synchrones. Commande dans le repère de Park des machines synchrones.

I. Introduction aux structures résilientes et aux défauts des machines électriques
II. Machines multiphasées pour l'augmentation de la résilience
   a. Modélisation
   b. Commande en mode sain
   c. Commande en mode de défauts
III. Machines multi-triphasées pour l'augmentation de la résilience
   a. Modélisation
   b. Commande en mode sain
   c. Commande en mode de défauts

L'objectif de l'UE est de permettre aux étudiants du Master d’appréhender les grands enjeux des systèmes électromécaniques (transports, génération d'énergie, ...) sous le prisme de la commande et de l'amélioration de la résilience aux défauts de ces systèmes. En particulier l'UE traitera des systèmes électromécaniques multi-phases et modulaires dont font partie les machines électriques multi-triphasées avec couplage magnétique. L’UE se basera sur la modélisation des défauts de type électrique et de leur commande optimale (au sens de l'utilisation en mode dégradé). L'UE sera composé de cours / TD ainsi que de nombreux travaux pratiques en simulation et en expérimental.

Après une introduction sur la résilience des systèmes électriques et notamment les défauts les plus critiques dans un contexte de transport et de production d'énergie électrique, le cours suivra deux axes : la modélisation des machines multi-phases et la modélisation des machines multi-triphasées. Ces deux axes seront ensuite mis en pratique en simulation puis sur un démonstrateur expérimental.

Ce cours permet aux étudiants d’approfondir leurs connaissances en modélisation et en commande en mode dégradé des machines synchrones non conventionnelles. Les concepts théoriques seront validés par simulation et testés expérimentalement, offrant ainsi une approche pratique et concrète. À l’issue de cette formation, les participants maîtriseront le calcul de correcteurs spécifiques, l’utilisation d’outils de modélisation tels que Matlab-Simulink, ainsi que les plateformes industrielles comme dSPACE.

Développement d'outils de conception de Machines polyphasées à aimants utilisant l'Approche multimachine, Franck Scuiller
Protections électriques des alternateurs et moteurs, Techniques de l'ingénieur D3775 v2, Christophe SCHROEDER

Working on a research project while fully immersed in a research laboratory