Modelling of electromagnetic couplings by a systemic approach for the energy efficiency of static converters

Améliorer l'efficacité énergétique des systèmes multiphysiques complexes nécessite une compréhension approfondie de la modélisation de leurs composants. En fonction de l'échelle dimensionnelle ou temporelle considérée, les études vont des chaînes de conversion complètent comme les locomotives ferroviaires jusqu'à l'étude des composants semi-conducteurs. Les études antérieures ont prouvé l'efficacité des approches énergétiques pour modéliser, simuler et commander les différents systèmes et sous-systèmes d'un dispositif de conversion d'énergie. Les éléments de couplage électromagnétique (EM) omniprésents dans les convertisseurs d'énergie électrique sont souvent abordés de manière macroscopique avec des éléments équivalent discrets. Dans une approche plus locale, ils sont abordés sous l'angle phénoménologique incluant l'interaction de flux magnétiques et de chemins réluctants. Cependant, ils ne sont que rarement étudiés avec une démarche énergétique couplée avec une analyse locale spatio-temporelle. De manière évidente, le comportement de ces couplages est régie par les équations de Maxwell. Les géométries complexes interdisent de résoudre analytiquement ces équations aux dérivées partielles. Des solutions précises requièrent l'utilisation de méthodes numériques, impliquant des logiciels commerciaux spécialisés. Ces logiciels fournissent des résultats souvent à partir d'hypothèses simplificatrices comme la quasi stationnarité. Par nature, les résultats ainsi obtenus sont inadaptés à l'échelle macrocopique du système, ce qui pose des défis d'interopérabilité. Cette thèse vise donc à intégrer dans une approche systémique, l'analyse locale spatio-temporelle des champs électromagnétiques. Dans un premier temps, les travaux de thèse se concentreront sur les méthodes numériques classiques utilisées dans la simulation des phénomènes EM. En dehors des approximations de quasi-stationnarité, le cadre théorique de l'analyse locale des champs EM sera posé. Dans un second temps, les travaux de thèse se concentreront sur les méthodes de modélisation énergétique et en particulier sur le bond graph. Cet outil typique de l'analyse systémique sera alors employé pour modéliser les champs EM dans le cadre précédemment décrit. Ces travaux permettront de démontrer la faisabilité de la représentation des phénomènes EM au moyen d'un outil systémique. Corollairement, les travaux de thèse montreront la faisabilité de l'intégration de simulation EM local au sein des simulations systèmes. Enfin, les travaux de thèse porteront sur une validation des résultats précédents au travers de systèmes expérimentaux simplifiés mais aussi en comparant les résultats obtenus avec des logiciels commerciaux classiques. Par ailleurs, du fait de l'utilisation de schémas de simulation numériques, une attention particulière sera portée sur la complexité algorithmique des méthodes développées et sur la maîtrise des temps de calcul afin de fournir des schémas de simulation réalistes en termes d'exécution numérique.