Parcours Conception des systèmes d'énergie électrique (CSEE) 1re et 2e années

Descriptif : La montée en puissance de calcul et en flexibilité des circuits numériques modernes permet de traiter la complexité et les exigences de performances croissantes des applications, dans les systèmes embarqués et les systèmes de conversion d’énergie.
Cette UE approfondit l’exploitation des circuits dits System on Chip Programmables, appliqués au traitement du signal ou à la commande de systèmes électriques, dans le contexte des Systèmes Embarqués.
Contenu :
• architecture générale des processeurs embarqués,
• augmentation de la performance grâce aux architectures dédiées : FPU, Cache, DMA,
• parallélisme : SIMD, Vector processing,
• Mesure de performance et optimisation de la vitesse d’exécution du code,
• architecture des FPGAs, composants PSoC,
• mise en oeuvre de structures câblées de calcul dédié, sur FPGA (langage VHDL),
• comparaison de performance entre traitement micro-programmé et hardware (FPGA)
• partitionnement software / hardware du design à l’intérieur d’un PSoC, en vue de l’optimisation de la performance (de calcul et énergétique).

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Les systèmes de traitement de communication et de traitement de l’information nécessitent des alimentations continues en énergie qu’ils soient statiques ou nomades. La multiplication de ces équipements et le besoin de mobilité toujours croissant exigent des performances accrues en terme de rendement dont l’autonomie peut dépendre directement, de compacité, de discrétion électromagnétique.

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Les composants passifs sont omniprésents dans les circuits électriques, aussi bien pour assurer le fonctionnement des dispositifs électroniques que celui des convertisseurs d’électronique de puissance. Ils permettent d’assurer des fonctions de filtrage, de stockage transitoire de l’énergie ou encore d’adaptation ou d’isolation galvanique. Leur comportement, loin de correspondre au comportement parfait attendu, dépend fortement des fréquences des signaux électriques mis en jeu mais également des conditions physiques (thermique, mécanique) auxquelles ils sont soumis. Ceci affecte donc le fonctionnement des dispositifs électriques, dont la conception et l’optimisation est fortement dépendantes d’une bonne compréhension du comportement des composants passifs.

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Cette UE comprends deux thématiques.

Le contenu de la partie Traitement du signal est détaillé ci-dessous :

- Notations et rappels mathématiques

- Introduction

- Définitions et exemples

- Classification des signaux

- Signaux aléatoires

- Outils d'analyses

- Moments temporels et statistiques

- Analyse spectrale

- Analyse temps-fréquence/temps-échelle

- Outils de traitement

- Echantillonnage

- Notions des systèmes LIT

- Filtrage linéaire

- Filtrage optimal

- Filtrage non linéaire

Pour la partie Compatibilité électromagnétique :

Le déroulement du cours se base sur la décomposition Source - Chemin de propagation - victime.

1) Etude synthétique des principales sources de perturbations naturelles ou industrielles et des victimes par une modélisation de leurs caractéristiques

2) Etude des différents modes de couplage, impédance commune, couplage inductif, capacitif, phénomènes de propagation, rayonnement

3) Modélisation des câblages, principaux vecteurs de perturbation, éléments parasites, étude les diaphonies, les câbles blindés

4) Couplage par onde électromagnétique, émission et susceptibilité d'une liaison électrique

5) Conception des systèmes, routage des cartes, dimensionnement du filtrage et du blindage

6) Application sur une maquette intégrant une convertisseur d'électronique de puissance et des circuits sensibles permettant d'observer et de modéliser les phénomènes précédents

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- Langage C : Introduction, Opérateurs, Types, Variables, instructions de contrôle, fonctions, outils de compilation.

- Langage Python : Introduction, syntaxe, types de base spécifiques, références, calcul scientifique et manipulation de donnée à l'aide de bibliothèques & outils usuels (Jupyter, numpy, pandas...)

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Contexte:

Le Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) est devenu le composant semi-conducteur le plus utilisé dans des applications allant de l’électronique numérique jusqu’à l’électronique de puissance.

Contenu :

• Introduction et rappel de physique des semi-conducteurs,
• Capacité MOS : régime de bandes plates, accumulation, inversion et déplétion,
• Transistor MOSFET : calcul du courant dans le canal d’un MOSFET, I_DS(V_DS) et I_DS (V_GS), schéma équivalent et comportement à hautes fréquences,
• Mise en œuvre dans un circuit : porte logique, amplificateur et interrupteur de puissance
• Spécificités des architectures des MOSFETs modernes pour l’électronique de puissance et l’électronique numérique.

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Les supports et thématiques étant choisis au plus près du domaine de spécialité des étudiants, les compétences principales travaillées en M1 sont :

1. Acquérir les techniques nécessaires pour bien comprendre un texte écrit et en extraire des informations spécifiques.
2. Maîtriser la formulation et le traitement des formes interrogatives (séances questions-réponses sur support graphique ou écrit).
3. Communiquer à partir de documents de recherche en anglais.
4. Préparer et présenter un poster professionnel, dans le but de développer les techniques de communication écrite et orale en contexte scientifique.

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Cette UE correspond à la première phase d'un projet de conception d'alimentation à découpage (type alimentation d'un PC portable). Les aspects relatifs à la modélisation, à l'analyse, au dimensionnement, à la réalisation physique et au test d'une alimentation seront traités et mis en œuvre.

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1/ Control system design and linear models

The process of control system design; The control problem; Transfer functions; Scaling; Deriving linear models; Control configurations.

2/ Feedback control and closed-loop performances

Frequency response; Feedback control; Closed loop stability; Evaluating closed loop performance.

3/ Controller design - from tuning to shaping the closed-loop

Classical controller design: tuning rules; Loop shaping; IMC design procedure and PID control for stable plants; Shaping closed loop transfer functions.

4/ Input-output controllability and perfect control

Input-Output Controllability; Fundamental limitations on sensitivity; Perfect control and plant inversion; Ideal ISE optimal control.

5/ Fundamental limitations

Limitations imposed by time delays, RHP-zeros, phase lag and unstable (RHP) poles; Perf. requirements imposed by disturbances and commands; Limitations imposed by input constraints and uncertainty; Controllability analysis with feedback & feedforward control.

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• Modélisation des moteurs en vue de la variation de vitesse (matrices inductances, phaseurs, transformation de Park).
• Machine asynchrone : contrôle scalaire et contrôle vectoriel à flux rotorique orienté (structure de la commande, estimateurs, performances, calculs des correcteurs).
• Machine synchrone auto-pilotée (structure de la commande, performances, …).

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Cette UE concerne la modélisation dynamique vectorielle et de Park des dispositifs électrotechniques, en particulier les machines électriques. Les applications concerneront surtout les régimes transitoires de ces machines (court-circuits, démarrages ...). Une ouverture vers la modélisation des onduleurs de tension sera faite (MLI vectorielle).

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Contenu :

• Synthèse des convertisseurs
• Diode de puissance
• Mosfet de puissance
• Convertisseurs à résonance
• Bureau d'études :  Commande Modulation de Largeur d'Impulsion

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Cette UE est une introduction à la modélisation et à l'analyse des systèmes de puissance électrique et d'énergie.

Contenu:

• Etudes des circuits triphasés déséquilibrés par la méthode des composantes symétriques.
• Modélisation des composantes du réseau électrique.
• Système per unit (p. u.) et calcul de flux de puissance (load-flow) en régime périodique permanent.

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Dans cette UE sont abordés le comportement des moteurs électriques alternatifs industriels en régime permanent. Pour le moteur asynchrone et le moteur synchrone sont étudiés :

• obtention des équations en régime permanent, schéma équivalent
• caractéristiques théoriques et caractéristiques dans la zone utile
• valeurs nominales
• variation de vitesse en régime permanent

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Cette UE correspond à la deuxieme phase d'un projet de conception d'alimentation à découpage (type alimentation d'un PC portable). Les aspects relatifs à la modélisation, à l'analyse, au dimensionnement, à la réalisation physique et au test d'une alimentation seront traités et mis en œuvre.

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Cette UE correspond à la troisième et dernière phase d'un projet de conception d'alimentation à découpage (type alimentation d'un PC portable). Les aspects relatifs à la modélisation, à l'analyse, au dimensionnement, à la réalisation physique et au test d'une alimentation seront traités et mis en œuvre.

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Stage en entreprise ou en laboratoire d'une durée minimale de 8 semaines

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• Modélisation et commande des structures

Modélisation dynamique des structures d’électronique de puissance : Modèle dynamique exact, modèle moyen classique, modèle moyen équivalent, modèle moyen généralisé

• Commande des systèmes de puissance

Modèles et méthodes pour la définition et la synthèse des commandes de systèmes de puissance (générateurs éoliens, liaisons HVDC, compensateurs d'énergie réactive pour réseaux électriques, centrales photovoltaïques ...).

• Traitements numériques des équations de circuits électriques

Méthodes de simulation numériques de circuits électrique : techniques génériques de mise en équation des circuits électriques, résolution numérique de systèmes linéaire et non linéaire, résolution d'équations différentielles.

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• Structure d’électronique de puissance pour les énergies non conventionnelles

Enseignement consacré à l’électronique de puissance pour les énergies non conventionnelles ou renouvelables (Piles à combustible, Photovoltaïque, Eolien). Ces sources d’énergie sont présentées succinctement en début de chaque chapitre. Les principales structures de conversion liées à la spécificité de ce domaine sont ensuite présentées ; les plus courantes sont analysées lors des travaux dirigés.

• Electronique de puissance pour les réseaux

Enseignement consacré à la gestion et à la qualité de l’énergie dans les réseaux électriques et aux dispositifs d'électronique de puissance qui y sont associés. Etude des transferts d’énergie entre différentes régions : augmentation de la puissance transitant entre 2 régions à l’aide de composants passifs puis de dispositifs d’électronique de puissance, étude des perturbations harmoniques générées par les convertisseurs de puissance ainsi que leur propagation dans le réseau

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• Conduite des réseaux industriels

Etudier les systèmes de conduite de réseaux industriels : fonctionnalités des systèmes de contrôle-commande, automatismes, architectures réseaux utilisées.

Etudier la régulation d’énergie dans les réseaux industriels : principes, fonctionnalités, applications et matériels.

• Protection et réseau industriel

Etudier les protections des réseaux de transport, de distribution et des installations électriques industrielles et tertiaires : Calcul et dispositif de mesure des courants de défaut, composantes symétriques, transformateurs de courant et de tension, protection des personnes et des réseaux, coordination des protections, principaux principes de sélectivité, intégration de la protection dans le contrôle/commande.

Aspects pratiques dont a besoin un concepteur et exploitant de réseau : Définition des besoins, contraintes à satisfaire, construction et optimisation d'une architecture, Raccordement au réseau, poste de livraison et comptage, contraintes réglementaires  vis à vis du réseau d'alimentation, choix des matériels, régime du neutre protection des personnes en MT et en BT, stabilité et sauvegarde de l'installation; délestages, choix et dimensionnent des canalisations.

• Energie renouvelable et protections de découplage

Informations relatives aux protections de découplage pour les productions raccordées au réseau de distribution. Principes de réglage des différentes protections.

Sources d'énergies renouvelables (constitution, principales caractéristiques…).

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Pour illustrer la démarche de conception des systèmes d’énergie électrique, on prendra l’exemple d’un réseau industriel présentant une source d’énergie décentralisée et des convertisseurs d’électronique de puissance. L’apparition de contraintes multiples et de la diminution des marges de sécurité ne permet plus une conception empirique mais nécessite la mise en place d’une méthodologie rigoureuse de modélisation, de simulation et d’optimisation du réseau permettant d’évaluer différents choix fonctionnels et de quantifier les gains de chaque solution.

Le projet intégrateur est découpé en 4 modules :

• Module 1 : pré-dimensionnement des éléments du réseau (transformateur, câbles, compensation de réactif)). Les choix de dimensionement seront effectués tenant compte de contraintes techico-économiques.
• Module 2 : réglage des boucles de contrôle d'une alimentation sans interruption selon un cahier des charges imposé.
• Module 3 : calcul du filtrage anti-harmonique d'un variateur vectoriel de vitesse pour passer les normes de qualité de l'énergie au point de raccordement.
• Module 4 : intégration et validation finale par simulation des solutions imaginées dans les modules 1 à 3.

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L'efficacité énergétique et l'analyse du cycle de vie sont aujourd'hui des contraintes importantes d'un cahier des charges de conception. En s'appuyant sur un applicatif de conception de transformateur de distribution, cet enseignement aborde les concepts et outils pour la mise en oeuvre de modèle de dimensionnement, l'optimisation paramétrique ainsi que l'analyse de l'impact environnemental du produit, et ce durant tout son cycle de vie (fabrication, transport, utilisation, fin de vie).

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Le cours de Conversion et Stockage Électrochimique de l’Énergie s’intéressera tout d’abord à présenter les bases nécessaires en électrochimie pour comprendre le fonctionnement et utiliser correctement des générateurs électrochimiques. Ensuite, les différentes familles de générateurs électrochimiques (pile primaire, accumulateur et pile à combustible) seront présentées en détaillant leurs principaux avantages et inconvénients respectifs. Le pré-dimensionnement de systèmes incluant ces générateurs sera étudié ainsi que les aspects pratiques et expérimentaux relatifs à leurs tests de fonctionnement. Enfin, les aspects « sécurité » seront également abordés.

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La recherche de la mission d'alternance ou du stage recherche est laissée à l'étudiant et doit être validé par le responsable du M2. L'objectif est la mise en situation des compétences et savoirs acquis dans l'ensemble de la formation.

L'alternance débute le 1er septembre et le contrat qui l'accompagne est d'une année. L'étudiant alterne alors périodes en entreprise dans le cadre de sa mission et périodes à l'université pour suivre la formation.

Le stage recherche débute en avril pour une durée de 4 mois. Il est destiné aux étudiants souhaitant poursuivre en thèse. Il est précédé d'un projet tutoré en laboratoire d'une durée de 8 semaines. Le rythme du projet tutoré est aussi celui de l'alternance.

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Attester ou acquérir le niveau B2 (compréhension orale, expression orale, rédaction) dans une langue étrangère. Durant cet enseignement les alternants vont également développer leur capacité de prise de notes et de présentation orale en anglais.

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Toutes les informations ici

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