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Energie - Semestre 3

Annee: 2021-2022 | Semestre: 3 | Type: Technique

PART A - Presentation Generale du Cours

Contexte et objectifs

Approfondissement de l'electronique de puissance (suite S1) avec convertisseurs avances, machines electriques AC, variateurs de vitesse et energies renouvelables. Applications aux systemes modernes (vehicules electriques, energies vertes, industrie 4.0).

Objectifs :

  • Maitriser hacheurs (Buck, Boost, Buck-Boost), onduleurs, redresseurs
  • Etudier machines asynchrones et synchrones
  • Concevoir variateurs de vitesse
  • Comprendre CEM et composants Wide Bandgap (SiC, GaN)
  • Apprehender systemes photovoltaiques et eoliens

Prerequis

  • Electronique de puissance S1 (redresseurs, hacheurs de base)
  • Circuits AC (impedances complexes)
  • Machines DC

PART B: EXPERIENCE, CONTEXTE ET FONCTION

Module 1 : Convertisseurs DC-DC avances

Hacheurs :

  • Buck (abaisseur) : Vout = a*Vin, mode CCM/DCM
  • Boost (elevateur) : Vout = Vin/(1-a)
  • Buck-Boost : Vout = -a*Vin/(1-a)
  • Cuk, SEPIC : isolation, low ripple
  • Dimensionnement L, C (ondulation dI, dV)

Regulation :

  • PWM a frequence fixe (20-100 kHz)
  • Controle en mode tension ou courant
  • Boucle de retroaction (TL431, optocoupleur)

Module 2 : Onduleurs

Onduleurs monophases :

  • Demi-pont : Vout = +/-Vdc/2
  • Pont complet (H-bridge) : Vout = +/-Vdc
  • MLI sinusoidale : commande complementaire avec temps mort
  • Filtrage LC (harmoniques)
  • THD (Total Harmonic Distortion)

Onduleurs triphases :

  • 6 interrupteurs (IGBT)
  • MLI sinus (modulation chaque phase)
  • MLI vectorielle (SVM) : meilleure utilisation Vdc
  • Applications : variateurs, onduleurs solaires/eoliens

Module 3 : Machines electriques AC

Machine asynchrone (MAS) :

  • Principe : champ tournant, glissement s = (ns - n)/ns
  • Schema equivalent (resistances, reactances)
  • Couple : Tmax au glissement s = 10-20%
  • Demarrage : direct (I=6-8 In), etoile-triangle, variateur

Machine synchrone :

  • Rotor : aimants permanents (PMSM) ou bobine
  • Synchronisme : n = f/p (pas de glissement)
  • Moteur brushless (BLDC) : commutation electronique
  • Applications : VE, robotique, eolien

Variateurs de vitesse :

  • Controle scalaire MAS : loi V/f constante
  • Controle vectoriel (FOC) : decouplage flux/couple
  • Regulation en boucle fermee (encodeur)
  • Economie d'energie (adaptation charge)

Module 4 : Energies renouvelables

Photovoltaique :

  • Caracteristique I-V panneau (Isc, Voc, Pmax)
  • MPPT (Maximum Power Point Tracking) : Perturb & Observe, Incremental Conductance
  • Onduleurs grid-tie (injection reseau)
  • Stockage batteries (Li-Ion, LiFePO4)

Eolien :

  • Turbine → generatrice (asynchrone ou synchrone a aimants)
  • Redresseur + bus DC + onduleur reseau
  • Pitch control (orientation pales)

Stockage :

  • Batteries : chimies (Lithium, Plomb), BMS (Battery Management System)
  • Supercapacites : forte puissance, faible energie
  • Hydrogene : electrolyseur, pile a combustible

PART C: ASPECTS TECHNIQUES

TP Convertisseurs

TP1 : Hacheur Boost :

  • Montage : MOSFET, diode Schottky, L, C
  • Tests : a variable, mesure Vout, rendement
  • Ondulations dIL, dVout

TP2 : Onduleur monophase MLI :

  • H-bridge IGBT
  • Commande MLI (Arduino/STM32 ou CI dedie)
  • Charge RL : mesure THD

TP3 : MPPT photovoltaique :

  • Panneau PV simule (source + resistance)
  • Hacheur Boost avec MPPT P&O
  • Mesure point de puissance maximale

TP Machines

TP Variateur MAS :

  • Moteur asynchrone 0.5-1 kW
  • Variateur industriel (Schneider ATV, Siemens)
  • Programmation : frequence, rampes, protections
  • Mesure couple-vitesse
  • Economie energie vs demarrage direct

PART D: ANALYSE ET REFLEXION

Evaluation

  • TP et comptes-rendus (35%)
  • Projet energie renouvelable (20%)
  • Controles continus (25%)
  • Examen final (20%)

Competences acquises

  • Dimensionnement convertisseurs de puissance
  • Commande de machines electriques
  • Conception systemes energies renouvelables
  • Analyse CEM et thermique
  • Utilisation outils simulation (PSIM, PLECS)

Applications professionnelles

  • Vehicules electriques/hybrides
  • Energies renouvelables (solaire, eolien)
  • Variateurs industriels
  • Alimentations DC (serveurs, telecom)
  • Smart grids

Convertisseurs statiques avances

Hacheurs (approfondissement)

  • Hacheur Buck (abaisseur)
  • Hacheur Boost (elevateur)
  • Hacheur Buck-Boost
  • Hacheur Cuk et SEPIC
  • Mode de conduction continu et discontinu
  • Ondulation et dimensionnement

Onduleurs

Onduleurs monophases :

  • Onduleur en demi-pont
  • Onduleur en pont complet (H-bridge)
  • Commande MLI (PWM)
  • Filtrage de sortie
  • Distorsion harmonique

Onduleurs triphases :

  • Structure a 6 interrupteurs
  • MLI sinusoidale
  • MLI vectorielle (SVM)
  • Applications (variateurs, onduleurs solaires)

Redresseurs commandes

  • Redresseurs a thyristors
  • Redresseurs mixtes
  • Facteur de puissance
  • Harmoniques reseau
  • Correction du facteur de puissance (PFC)

Machines electriques avancees

Machines asynchrones

  • Principe et constitution
  • Schema equivalent
  • Couple et glissement
  • Bilan de puissance
  • Demarrage (direct, etoile-triangle, variateur)
  • Freinage

Machines synchrones

  • Types (aimants permanents, rotor bobine)
  • Diagramme de Behn-Eschenburg
  • Alternateur synchrone
  • Moteur synchrone autopilote
  • Machines a aimants (PMSM, BLDC)

Variateurs de vitesse

  • Variateur pour MAS (controle scalaire, vectoriel)
  • Variateur pour machines synchrones
  • Regulation de vitesse
  • Optimisation energetique

Electronique de puissance moderne

Composants avances

  • IGBT (structure, commande, protection)
  • MOSFET SiC et GaN (Wide Bandgap)
  • Modules de puissance intelligents
  • Drivers de grille
  • Protection et diagnostic

CEM (Compatibilite ElectroMagnetique)

  • Sources de perturbations
  • Modes commun et differentiel
  • Techniques de reduction (filtrage, blindage)
  • Normes CEM
  • Mesures et conformite

Energies renouvelables

Energie solaire photovoltaique

  • Cellules et panneaux PV
  • Caracteristique I-V
  • MPPT (Maximum Power Point Tracking)
  • Onduleurs solaires
  • Stockage d'energie

Energie eolienne

  • Turbines eoliennes
  • Generatrices (asynchrone, synchrone)
  • Conversion d'energie
  • Raccordement au reseau

Stockage d'energie

  • Batteries (Lithium-Ion, LiFePO4)
  • BMS (Battery Management System)
  • Supercapacites
  • Hydrogene et piles a combustible

Travaux pratiques

TP Convertisseurs

  • Hacheur Buck avec charge RL
  • Onduleur monophase MLI
  • Redresseur PFC
  • Mesure de rendement

TP Machines

  • Caracterisation de MAS
  • Variateur de vitesse
  • Machine synchrone a aimants
  • Mesures de couple et rendement

TP Energies renouvelables

  • Caracterisation de panneau PV
  • MPPT algorithmique
  • Onduleur grid-tie
  • Systeme de stockage

Outils utilises

  • PSIM / PLECS : Simulation power electronics
  • MATLAB/Simulink : Modelisation systemes
  • LTspice : Simulation rapide
  • Analyseur de puissance : Mesures precises
  • Oscilloscope : Visualisation formes d'ondes
  • Bancs machines : Tests reels

Applications pratiques

Mobilite electrique

  • Vehicules electriques et hybrides
  • Chargeurs embarques
  • Stations de recharge
  • Traction electrique

Smart Grids

  • Gestion intelligente de l'energie
  • Micro-reseaux
  • Vehicle-to-Grid (V2G)
  • Stockage distribue

Industrie

  • Variateurs de vitesse
  • Alimentation sans interruption (UPS)
  • Qualite de l'energie
  • Efficacite energetique

Concepts avances

Modulation MLI

  • PWM sinusoidale
  • Space Vector Modulation (SVM)
  • Frequence de commutation
  • Harmoniques et THD

Controle de machines

  • Controle scalaire (V/f)
  • Controle vectoriel (FOC)
  • Direct Torque Control (DTC)
  • Sensorless control

Contraintes de conception

Thermique

  • Dissipation dans les semiconducteurs
  • Dimensionnement des dissipateurs
  • Gestion thermique
  • Fiabilite

CEM

  • Filtrage des perturbations
  • Layout de PCB
  • Blindage
  • Conformite normative

Securite

  • Isolation galvanique
  • Protection contre les surintensites
  • Detection de defauts
  • Norme securite electrique

Competences developpees

  • Conception de convertisseurs de puissance
  • Dimensionnement de systemes energetiques
  • Commande de machines electriques
  • Analyse CEM
  • Integration d'energies renouvelables
  • Optimisation energetique

Enjeux energetiques

Transition energetique

  • Decarbonation
  • Mix energetique
  • Stockage d'energie
  • Efficacite energetique

Smart Energy

  • Gestion intelligente
  • Prediction de production
  • Optimisation de consommation
  • Flexibilite du reseau

Energy - Semester 3

Year: 2021-2022 | Semester: 3 | Type: Technical

PART A - General Course Overview

Context and objectives

Advanced power electronics (following S1) with advanced converters, AC electrical machines, variable speed drives and renewable energies. Applications to modern systems (electric vehicles, green energies, Industry 4.0).

Objectives:

  • Master choppers (Buck, Boost, Buck-Boost), inverters, rectifiers
  • Study asynchronous and synchronous machines
  • Design variable speed drives
  • Understand EMC and Wide Bandgap components (SiC, GaN)
  • Understand photovoltaic and wind systems

Prerequisites

  • Power electronics S1 (rectifiers, basic choppers)
  • AC circuits (complex impedances)
  • DC machines

PART B: EXPERIENCE, CONTEXT AND FUNCTION

Module 1: Advanced DC-DC converters

Choppers:

  • Buck (step-down): Vout = a*Vin, CCM/DCM mode
  • Boost (step-up): Vout = Vin/(1-a)
  • Buck-Boost: Vout = -a*Vin/(1-a)
  • Cuk, SEPIC: isolation, low ripple
  • L, C sizing (ripple dI, dV)

Regulation:

  • Fixed frequency PWM (20-100 kHz)
  • Voltage or current mode control
  • Feedback loop (TL431, optocoupler)

Module 2: Inverters

Single-phase inverters:

  • Half-bridge: Vout = +/-Vdc/2
  • Full bridge (H-bridge): Vout = +/-Vdc
  • Sinusoidal PWM: complementary drive with dead-time
  • LC filtering (harmonics)
  • THD (Total Harmonic Distortion)

Three-phase inverters:

  • 6 switches (IGBT)
  • Sinusoidal PWM (per-phase modulation)
  • Space Vector Modulation (SVM): better Vdc utilization
  • Applications: drives, solar/wind inverters

Module 3: AC electrical machines

Asynchronous machine (induction motor):

  • Principle: rotating field, slip s = (ns - n)/ns
  • Equivalent circuit (resistances, reactances)
  • Torque: Tmax at slip s = 10-20%
  • Starting: direct (I=6-8 In), star-delta, drive

Synchronous machine:

  • Rotor: permanent magnets (PMSM) or wound
  • Synchronism: n = f/p (no slip)
  • Brushless motor (BLDC): electronic commutation
  • Applications: EV, robotics, wind

Variable speed drives:

  • Scalar control for induction motor: V/f constant law
  • Vector control (FOC): flux/torque decoupling
  • Closed-loop regulation (encoder)
  • Energy savings (load adaptation)

Module 4: Renewable energies

Photovoltaics:

  • Panel I-V characteristic (Isc, Voc, Pmax)
  • MPPT (Maximum Power Point Tracking): Perturb & Observe, Incremental Conductance
  • Grid-tie inverters (grid injection)
  • Battery storage (Li-Ion, LiFePO4)

Wind energy:

  • Turbine → generator (asynchronous or permanent magnet synchronous)
  • Rectifier + DC bus + grid inverter
  • Pitch control (blade orientation)

Storage:

  • Batteries: chemistries (Lithium, Lead), BMS (Battery Management System)
  • Supercapacitors: high power, low energy
  • Hydrogen: electrolyzer, fuel cell

PART C: TECHNICAL ASPECTS

Converter labs

Lab 1: Boost chopper:

  • Setup: MOSFET, Schottky diode, L, C
  • Tests: variable duty cycle, Vout measurement, efficiency
  • Ripples dIL, dVout

Lab 2: Single-phase PWM inverter:

  • H-bridge IGBT
  • PWM control (Arduino/STM32 or dedicated IC)
  • RL load: THD measurement

Lab 3: Photovoltaic MPPT:

  • Simulated PV panel (source + resistor)
  • Boost chopper with P&O MPPT
  • Maximum power point measurement

Machine labs

Induction motor drive lab:

  • 0.5-1 kW asynchronous motor
  • Industrial drive (Schneider ATV, Siemens)
  • Programming: frequency, ramps, protections
  • Torque-speed measurement
  • Energy saving vs direct start

PART D: ANALYSIS AND REFLECTION

Assessment

  • Lab work and reports (35%)
  • Renewable energy project (20%)
  • Continuous assessments (25%)
  • Final exam (20%)

Skills acquired

  • Power converter sizing
  • Electrical machine control
  • Renewable energy systems design
  • EMC and thermal analysis
  • Use of simulation tools (PSIM, PLECS)

Professional applications

  • Electric/hybrid vehicles
  • Renewable energies (solar, wind)
  • Industrial drives
  • DC power supplies (servers, telecom)
  • Smart grids

Advanced static converters

Choppers (advanced)

  • Buck chopper (step-down)
  • Boost chopper (step-up)
  • Buck-Boost chopper
  • Cuk and SEPIC choppers
  • Continuous and discontinuous conduction mode
  • Ripple and sizing

Inverters

Single-phase inverters:

  • Half-bridge inverter
  • Full-bridge inverter (H-bridge)
  • PWM control
  • Output filtering
  • Harmonic distortion

Three-phase inverters:

  • 6-switch structure
  • Sinusoidal PWM
  • Space Vector Modulation (SVM)
  • Applications (drives, solar inverters)

Controlled rectifiers

  • Thyristor rectifiers
  • Mixed rectifiers
  • Power factor
  • Grid harmonics
  • Power Factor Correction (PFC)

Advanced electrical machines

Asynchronous machines

  • Principle and construction
  • Equivalent circuit
  • Torque and slip
  • Power balance
  • Starting (direct, star-delta, drive)
  • Braking

Synchronous machines

  • Types (permanent magnets, wound rotor)
  • Behn-Eschenburg diagram
  • Synchronous alternator
  • Self-piloted synchronous motor
  • Permanent magnet machines (PMSM, BLDC)

Variable speed drives

  • Induction motor drive (scalar, vector control)
  • Synchronous machine drive
  • Speed regulation
  • Energy optimization

Modern power electronics

Advanced components

  • IGBT (structure, drive, protection)
  • SiC and GaN MOSFETs (Wide Bandgap)
  • Intelligent power modules
  • Gate drivers
  • Protection and diagnostics

EMC (Electromagnetic Compatibility)

  • Perturbation sources
  • Common and differential modes
  • Reduction techniques (filtering, shielding)
  • EMC standards
  • Measurements and compliance

Renewable energies

Solar photovoltaic energy

  • PV cells and panels
  • I-V characteristic
  • MPPT (Maximum Power Point Tracking)
  • Solar inverters
  • Energy storage

Wind energy

  • Wind turbines
  • Generators (asynchronous, synchronous)
  • Energy conversion
  • Grid connection

Energy storage

  • Batteries (Lithium-Ion, LiFePO4)
  • BMS (Battery Management System)
  • Supercapacitors
  • Hydrogen and fuel cells

Practical work

Converter labs

  • Buck chopper with RL load
  • Single-phase PWM inverter
  • PFC rectifier
  • Efficiency measurement

Machine labs

  • Induction motor characterization
  • Variable speed drive
  • Permanent magnet synchronous machine
  • Torque and efficiency measurements

Renewable energy labs

  • PV panel characterization
  • Algorithmic MPPT
  • Grid-tie inverter
  • Storage system

Tools used

  • PSIM / PLECS: Power electronics simulation
  • MATLAB/Simulink: System modeling
  • LTspice: Fast simulation
  • Power analyzer: Precise measurements
  • Oscilloscope: Waveform visualization
  • Machine test benches: Real tests

Practical applications

Electric mobility

  • Electric and hybrid vehicles
  • On-board chargers
  • Charging stations
  • Electric traction

Smart Grids

  • Intelligent energy management
  • Microgrids
  • Vehicle-to-Grid (V2G)
  • Distributed storage

Industry

  • Variable speed drives
  • Uninterruptible Power Supply (UPS)
  • Power quality
  • Energy efficiency

Advanced concepts

PWM modulation

  • Sinusoidal PWM
  • Space Vector Modulation (SVM)
  • Switching frequency
  • Harmonics and THD

Machine control

  • Scalar control (V/f)
  • Vector control (FOC)
  • Direct Torque Control (DTC)
  • Sensorless control

Design constraints

Thermal

  • Semiconductor dissipation
  • Heat sink sizing
  • Thermal management
  • Reliability

EMC

  • Perturbation filtering
  • PCB layout
  • Shielding
  • Regulatory compliance

Safety

  • Galvanic isolation
  • Overcurrent protection
  • Fault detection
  • Electrical safety standards

Skills developed

  • Power converter design
  • Energy system sizing
  • Electrical machine control
  • EMC analysis
  • Renewable energy integration
  • Energy optimization

Energy challenges

Energy transition

  • Decarbonization
  • Energy mix
  • Energy storage
  • Energy efficiency

Smart Energy

  • Intelligent management
  • Production forecasting
  • Consumption optimization
  • Grid flexibility

Polycopie de Cours Energie S3

Energy S3 Course Booklet

Support de cours complet : conversion d'energie, machines electriques, electronique de puissance et energies renouvelables.

Complete course material: energy conversion, electrical machines, power electronics and renewable energies.

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