L’augmentation de la classe de température des machines électriques tournantes atteint son maximum avec des vernis organiques spéciaux pouvant supporter jusqu’à 280 °C. La rupture technologique se trouve alors dans la substitution d’un vernis organique par une matière inorganique. La famille des céramiques répond aux critères. Ces céramiques sont de bons diélectriques et résistent à de fortes températures. Dans ces travaux, le conducteur étudié se présente sous la forme d’un ruban et se compose d’une âme conductrice en aluminium, dont la couche isolante a été obtenue par le processus électrochimique d’anodisation. Ce processus permet de faire croître sur l’aluminium une couche d’alumine de quelques micromètres. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser ce type de conducteur pour démontrer la possibilité ou non de l’utiliser comme conducteur pour la réalisation de bobinages pour des machines dites « hautes températures », pouvant fonctionner jusqu’à des températures ambiantes de 400 °C. Des mesures de TADP, TEDP, tensions de claquage sont effectuées sous des conditions environnementales variables (hautes températures, températures négatives, humidité variable). Les actionneurs réalisés avec ce type de conducteur seront alimentés par un convertisseur provoquant des fronts raides et des surtensions. Un modèle théorique de bobine est donc proposé, basé sur l’étude du spectre d’impédance de celle-ci, et permettant de prédire l’amplitude du premier dépassement suite à un front raide. L’amélioration de l’isolation des bobines se fait par une imprégnation à l’oxyde de bore, après confection des bobines, renforçant la couche d’alumine sur les bords du ruban. / The use of state of the art organic enamels, capable to withstand 280 °C, makes the temperature class increase of electrical machine reaching its maximum. A technological breakthrough can be found by the substitution of organic enamel by a ceramic based insulation. Those materials are good dielectrics and their temperature resistance is very high compared to a classical technology. In this work, the studied conductor is an aluminum tape which insulation is obtained by an anodisation, an electrochemical process. This surface treatment makes the aluminum oxidizing: a thin layer of a few micrometres is obtained, thus representing the insulation layer of the conductor. The objectives of those PhD works is to identify and characterize this particular type of conductor so as to demonstrate the ability of using an anodized aluminum tape to makeelectrical machine running up to 400 °C. Measurements of PDIV, PDEV, and breakdown voltage are carried under various environmental conditions (temperatures varying from -70 °C up to 650 °C, variable humidity level). The use of an inverter to supply this high temperature machine induces steep fronts and over voltages. As a consequence, a theoretical model of a coil, made with this kind of conductor, is then proposed and based upon the impedance spectrum of the coil. The aim of this model is to help the designer to predict the first over voltage amplitude and to make the insulation of the first coil according to that. At least, a coil insulation improvement is depicted, using boron oxide: an impregnation is held to reinforce the alumina layer on the edge of the tape

La complexité croissante des dispositifs en électronique de puissance nécessite l'intervention de la conception assistée par ordinateur. Le développement de systèmes électriques/électroniques est effectué à l'aide du prototypage virtuel dans lequel les logiciels de simulation sont utilisés pour prédire le comportement des composants. De ce fait, le prototypage virtuel permet une économie de temps et d'argent pour la réalisation de prototypes. La demande croissante d'appareils à faible puissance et à haut rendement a obligé les concepteurs à analyser précisément les pertes de chaque composant constituant du système. Les composants magnétiques constituent une partie importante des appareils en électronique, par conséquent la modélisation précise des matériaux magnétiques est nécessaire afin de prédire leur comportement réaliste dans des conditions de fonctionnement variables selon l'application. Notre travail s'inscrit dans ce contexte et propose un modèle dynamique non linéaire de composants magnétiques pour une utilisation dans des simulateurs de circuits électriques. Ce modèle de composant magnétique inclut le comportement d'hystérésis non linéaire du matériau et permet une modélisation précise des pertes fer et des pertes joule avec de plus la prise en considération des effets thermiques qui, généralement, ne sont pas pris en compte par les modèles existants. Le modèle est basé sur le principe de la séparation des contributions statiques et dynamiques des pertes fer et s'appuie sur la théorie de Bertotti. Le langage de programmation VHDL-AMS est utilisé en raison de sa fonctionnalité de modélisation multidomaines, permettant un couplage avec un modèle thermique. Le modèle de composant magnétique est mis en oeuvre dans le logiciel de simulation de circuit "Simplorer". Il est ensuite testé dans une application de convertisseur de puissance, le convertisseur abaisseur qui permet de fournir une excitation non-conventionnelle. Le modèle est validé pour différents noyaux d'inductances, différentes ondulations de courant et niveaux de charge, différentes températures et une large gamme de fréquence / The increasing complexity of power electronic devices requires the intervention of computer-aided design in electrical engineering. Development of electric/electronic systems nowadays is carried out by the help of virtual prototyping, in which simulation software are used to predict components behavior without investing time and money to build physical prototypes. The increasing demand of low power, high efficiency devices forced designers to precisely analyze losses in each component constituting the system. Magnetic components constitute a major part of electronics devices. Therefore accurate modeling of magnetic materials is mandatory in order to predict their realistic behavior under variable operating conditions. Our work takes place in this context by proposing a non-linear dynamic model of magnetic components for use in circuit simulators. It includes the material nonlinear hysteretic and dynamic behaviors with accurate modeling of winding and core losses in addition to thermal effects that are not taken into account by existing models. The model is based on the principle of separation of static and dynamic contributions as well as Bertotti’s theory. VHDL-AMS is used as a modeling language due to its multi-domain modeling feature, allowing coupling with a thermal model. The magnetic component model is implemented in circuit simulation software “Simplorer” It is then tested in a widely used power converter application, the buck converter, to ensure non conventional excitation. The model is validated for different core inductors, different current ripples, different loads, different temperatures and a wide frequency range

Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée. / The issue of sensorless control of permanent magnet synchronous machine (PMSM) has been well studied in the field of automation and electrical engineering. In the following work, we were interested in the peculiar problem of low-speed sensorless control of surface PMSM. The objective is to o er a new method for the position control of an industrial electro-mechanical actuator, considering an aeronautical context (a flap actuator). First, modeling and observability analyses of surface (non-salient) PMSM and interior (salient) PMSM have been studied. A loss of observability can be especially found at low speed for models of non-salient machines. To overcome this loss, we have developped new models, that take into account vibrations caused by a signal injection. A theoretical observability study of these latter models shows that observability is now guaranteed for the whole speed range, including standstill. We thus proposed an estimation method of the position and speed of the PMSM, based on these models, with a dedicated injection signal. Unlike sallient-based methods that are only valid for sailent machines, our approach can be used with all types of PMSM. An Extended Kalman Filter is used to observe the position, speed and eventually the load torque. The proposed approach was validated on a dedicated test bench. Many simulation and experimental tests were performed on an industrial-oriented benchmark. Results showed the performances, robustness and limitations of the proposed observers. We have also studied speed sensorless control of the machine. Indeed, two observer syntheses have been presented. The first one is based on robust synthesis of an LPV observer using a polytopic approach. The second method is an adaptative-gain second-order sliding mode observer. Experimental feasibility of the two methods has been demonstrated.

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια από τη μια, και η ραγδαία κλιματική αλλαγή από την άλλη οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ενέργειας χαμηλού κόστους, περιβαλλοντικά φιλική και υψηλής ποιότητας, η οποία μπορεί να επιτευχτεί με κατανεμημένα συστήματα παραγωγής. Έτσι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν μεγάλο ενδιαφέρον για τον στόχο αυτό, αλλάζοντας τόσο ευρωπαϊκό όσο και τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει πολλές επιλογές για μας επιτρέπει την αντικατάσταση των κλασικών επαγωγικών μηχανών, σύγχρονων και ασύγχρονων, με μηχανές νέας τεχνολογίας. Μια τέτοια μηχανή είναι η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή ροπή, ευκολία στον έλεγχο, με σχετικά χαμηλό κόστος, μικρότερο μέγεθος και αρκετά άλλα, τις έκαναν να χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές προσελκύοντας πολύ το ενδιαφέρον των ερευνητών και της βιομηχανίας. Έτσι στη συγκεκριμένη εργασία ασχολούμαστε με τη μη γραμμική ανάλυση και τη δυναμική συμπεριφορά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Ξεκινώντας από λεπτομερή, μη γραμμικά μοντέλα για την ΣΜΜΜ, και με τη χρήση του μετασχηματισμού Παρκ, την αναλύσαμε στο στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας την κατάλληλη μέθοδο ελέγχου, ελέγξαμε ρεύματα, ροπή, ταχύτητα. Τέλος, από τις προσομοιώσεις του μοντέλου που σχεδιάσαμε στο Simulink του Matlab, εξάγαμε συμπεράσματα. / The ongoing increase in electric power demand from one, and the rapid climate change on the other, lead to the need for low-cost energy production, environmentally friendly and high quality, which can attain with distributed generation systems. So, Renewable Energy Sources acquire great interest for this objective, changing both the European and the global energy map. The rapid evolution of technology gives us many options allows us to replace the classical induction machines, synchronous and asynchronous, with new technology engines. Such a machine is the permanent magnet synchronous machine. The advantages that afford, such as high power density, high torque, easy control, with relatively low cost, smaller size and several others, made them used in many applications attracting much interest among researchers and industry. So, at this thesis we deal with the non-linear analysis and dynamics permanent magnet synchronous machine. Starting from detailed, non-linear models for PMSM, and using the Park transformation, we analyse it at a rotating system with vertical axes dq. Then, applying the appropriate control method, we tested currents, torque, speed. Finally, from the simulations of the model that was built at Simulink of Matlab, we draw conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη λειτουργική συμπεριφορά μιας σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους κατά τη διάρκεια δύο ειδών σφαλμάτων, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω, για τις δύο συνθήκες σύνδεσης μίας σύγχρονης γεννήτριας με το δίκτυο. Ειδικότερα, μελετήθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης της σύγχρονης μηχανής όταν είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο και είτε ο αριθμός στροφών αυτής διατηρείται απόλυτα σταθερός, είτε ένας ελεγκτής τη συγκρατεί στο σύγχρονο αριθμό στροφών. Ακόμη διερευνήθηκε η περίπτωση εσωτερικού σφάλματος στο τύλιγμα του στάτη για τις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις. Υπολογίστηκαν και μελετήθηκαν η ηλεκτρομαγνητική ροπή και η μαγνητική επαγωγή κατά τη διάρκεια κάθε φαινομένου, καθώς επίσης τα ρεύματα σε δρομέα και στάτη συμπεριλαμβανομένων των ρευμάτων στον κλωβό απόσβεσης και του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε τμήματα του τυλίγματος του στάτη. Αρχικά, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο μοντελοποιήθηκε η σύγχρονη γεννήτρια με έκτυπους πόλους, ενώ παράλληλα αναλύεται η μέθοδος με την οποία μοντελοποιήθηκαν τα σφάλματα σε στάτη και δρομέα και ο τρόπος με τον οποίο προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ο παραλληλισμός της μηχανής στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον τρόπο με τον οποίο ορίζονται οι περιοχές του μοντέλου, οι εξισώσεις που επιλύει το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων, ο ορισμός των οριακών συνθηκών και τέλος περιγράφεται η εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένου στοιχείων που εφαρμόσθηκε στο συγκεκριμένο μοντέλο. Έπειτα προσομοιώθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης, καθώς ο στάτης της σύγχρονης μηχανής είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος πραγματοποιείται λεπτομερής καταγραφή της μαγνητικής επαγωγής και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, καθώς και όλων των ρευμάτων στο τύλιγμα στάτη και δρομέα. Προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά της μηχανής σε όλη τη διάρκεια του σφάλματος και καταγράφονται τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και γίνεται αξιολόγηση της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια αυτού του μεταβατικού φαινομένου. Ακόμη, εξετάζεται η ίδια περίπτωση σφάλματος στο τύλιγμα διέγερσης, αλλά ο αριθμός στροφών του δρομέα διατηρείται σταθερός μέσω ενός ελεγκτή στροφών. Παρατηρείται ότι η συμπεριφορά της μηχανής αλλά και όλα τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη αυτής είναι τελείως διαφορετικά συγκρινόμενα με την προηγούμενη περίπτωση. Στη συνέχεια αυτής της διδακτορικής διατριβής εξετάζεται η συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση εσωτερικού βραχυκυκλώματος στο τύλιγμα του στάτη, καθώς είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Αναλυτικότερα, μελετώνται τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα καθώς και στο τύλιγμα του στάτη για βραχυκύκλωμα μεταξύ σπειρών που ανήκουν σε ίδια ή διαφορετική φάση. Υπολογίζεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης και μελετάται ο τρόπος που επηρεάζει τα φασικά ρεύματα του στάτη τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Επίσης, αναλύονται τα ρεύματα στον κλωβό απόσβεσης και μελετάται η συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος. Η εισαγωγή ελέγχου στροφών μεταβάλει τη συμπεριφορά της σύγχρονης γεννήτριας και υπολογίζονται αναλυτικά τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη της σύγχρονης μηχανής προκύπτοντας συμπεράσματα για τον τρόπο με τον οποίο το βραχυκυκλωμένο τύλιγμα επηρεάζει τα μεγέθη αυτά, ενώ παράλληλα καθορίζεται ο ρόλος που έχουν οι φάσεις που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. Τέλος, γίνεται μια σύντομη σύγκριση για το πόσο επηρεάζει ο αριθμός σπειρών τη συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση σφάλματος στο στάτη κατά την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με σταθερό τον αριθμό στροφών του δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται τα ρεύματα σε στάτη και δρομέα καθώς και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, για τις περιπτώσεις που οι βραχυκυκλωμένες σπείρες ανήκουν στην ίδια και διαφορετική φάση αλλά με διαφορετικό αριθμό βραχυκυκλωμένων σπειρών για κάθε περίπτωση. Προκύπτει το συμπέρασμα ότι καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών κατά τη διάρκεια του σφάλματος έχει ο αριθμός των βραχυκυκλωμένων σπειρών, ανεξάρτητα από τον αριθμό των φάσεων που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. / This thesis deals with the functional behavior of a salient pole synchronous generator during two kinds of short-circuits. In particular, we studied the case of short circuit in the supply of the excitation winding of the synchronous machine when it is connected to an infinite bus and either the rotor speed was absolutely constant, or a simple PI- Controller maintained the synchronous speed equal to the synchronous. Additionally, the case of an internal fault in the stator winding for the two cases mentioned above was investigated. The electromagnetic torque and the magnetic flux density in each case were calculated and studied, as well as the stator and rotor currents, including the damper cage, and the short-circuit current in the faulty loop of the stator winding. Firstly, it is described in detail the way in which the salient pole synchronous generator was modeled and it is analyzed the method by which the faults are modeled in both stator and rotor and the way these faults were simulated, in the finite element program. Additionally, it is presented the way in how the areas of the model are defined, the equations that were solved through finite element software, in order to extract the results, the definition of the boundary conditions and finally it is described the finite element method, which was applied to this specific model. The case of a short circuit in the supply of the field winding while the stator of the synchronous machine is connected to the grid and the rotor speed is held constant and equal to the synchronous one, is examined. During this fault the magnetic flux, the electromagnetic torque and all the stator and rotor currents are measured in detail. Useful conclusions about the behavior of the machine throughout this kind of short-circuit were derived, all the electromagnetic magnitudes were recorded and an assessment of the generator behavior during this transient phenomenon is made. Similarly, the same type of fault is analyzed, but the speed of the rotor is maintained constant through a speed controller. It is observed that the behavior of the machine and all the electromagnetic magnitudes are quite different compared to the previous case. In this dissertation is examined the behavior of the hydrogenerator in the case of an inter-turn short circuit in the stator winding, while it is connected to the grid with a constant rotor speed. Specifically, it is examined the currents in the rotor and the stator winding for a short circuit between turns that belong to the same or to different phases. The short circuit current is calculated and it is presented the way that it affects quantitative and qualitative the stator phase currents. It is also analyzed the damper currents and it is studied their behavior during the short circuit. The speed controller alters the behavior of the synchronous generator and all the electromagnetic magnitudes of this machine are analytically calculated, resulting significant conclusions on how the faulty loop affects these quantities, while it is set out the role of the participating phases in this short-circuit. Finally, a brief comparison of the way that the number of the shorted turns affects the behavior of the simulated machine in the case of an inter-turn stator fault, while it is connected to the grid with a fixed number of the rotor revolutions. Specifically, it is analyzed the stator and rotor currents and the electromagnetic torque, for the cases that the short-circuited turns belong either to the same or to different phases, but with different number of shorted turns. It is concluded that a key role in determining the electromagnetic magnitudes during this fault has the number of the short-circuited turns and not the number of the phases that are involved in the short circuit.

Η θερμική ανάλυση είναι μια σημαντική περιοχή μελέτης και γίνεται περισσότερο σημαντική για την σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών εξαιτίας της ανάγκης για μείωση του όγκου των υλικών και του κόστους κατασκευής τους καθώς και για την αύξηση της απόδοσής τους. Είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση μιας και η θέρμανση της μηχανής θα οριοθετήσει την ονομαστική της ισχύ καθώς και την διάρκεια ζωής της μόνωσης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται βασικές έννοιες της θερμοδυναμικής. Γίνεται αναφορά σε διάφορους συντελεστές, παρουσιάζονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι και γίνεται σύντομη αναφορά στους μηχανισμούς μετάδοσης θερμότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται η αναλυτική περιγραφή των μηχανισμών μετάδοσης θερμότητας και παρουσιάζεται ένα απλό δίκτυο μοντελοποίησης με ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σύντομα η δομή, η αρχή λειτουργίας και οι τύποι μιας ασύγχρονης μηχανής. Εδώ επίσης αναφέρονται και οι διάφορες μορφές απωλειών ενέργειας κατά την λειτουργία μιας τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Παρουσιάζεται ακόμη ο υπό μελέτη κινητήρας και αναφέρονται τα θερμοστοιχεία που χρησιμοποιούνται στην πειραματική διαδικασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος θερμικής ανάλυσης με χρήση ισοδυνάμου κυκλώματος θερμικών αντιστάσεων για την μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια δίνεται το προτεινόμενο κύκλωμα και παρουσιάζονται αναλυτικά οι ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις του μοντέλου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, γίνεται σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιακών τιμών που πάρθηκαν από τα θερμοστοιχεία και ακολουθεί η διαδικασία της παραμετροποίησης στους διάφορους συντελεστές που χρησιμοποιήθηκαν είτε υπολογίστηκαν κατά την ανάλυση. / Thermal analysis is an important design area and becoming more important part of the electric motor design process due to the push for reduced weights and costs and increased efficiency. Thermal analysis is of equal importance as the electromagnetic design of the machine, because the temperature rise of the machine eventually determines the maximum output power. The purpose of this study is to record the temperature distribution of the internal parts of an induction motor at steady state using an equivalent thermal circuit with lumped parameters. The first chapter is an introduction of the thermodynamic theory. The laws of thermodynamics are described and there is a brief report of heat transfer mechanisms. The second chapter describes analytically the heat transfer mechanisms. Also, an example of modelling using thermal equivalent resistances is given. The third chapter introduces shortly the operational principles of an induction machine. Here are also referred the various losses that occur during the rotation of an induction motor. The studied induction motor, with the modified stator winding to include thermocouples, is shown. The fourth chapter introduces the method of thermal analysis using thermal equivalent circuit with lumped parameters. The proposed model is given and its components are described in particular. At last, in the fifth chapter the results of temperature distribution are given and compared with experimental data of temperature values that are acquired using the thermocouples. Here also takes apart the parameterising of the various coefficients that were used or calculated during this study.

This study concerns frequency relays and voltage relays applied to the protection of synchronous distributed generators operating in reactive power control mode without a frequency regulation function. The effect of active and reactive powers combination, load power factor, and reactive power imbalance are investigated for their implication for the anti-islanding setting of the frequency relay. Results reveal that the effect of these factors must be considered when setting the relay for islanding detection. For the voltage relay, results reveal that the effect of active and reactive powers combination, load power factor, and active power imbalance must be considered when setting the relay for islanding detection. The effect of multi-stage tripping on the frequency relay ability to detect island was also investigated. Results show that multistage tripping can improve the anti-islanding performance of the frequency relay. / Electrical Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

Les bobinages des machines électriques tournantes actuelles sont, pour la plupart, isolés avec des matériaux issus de la chimie organique. La limite en température des bobinages actuels se situe au-dessous de 240°C. L’augmentation significative de la température de fonctionnement d’une machine permettrait d’envisager, indirectement, une augmentation de la densité de courant dans les conducteurs actifs. Dans ces conditions, ces nouvelles machines peuvent présenter une puissance, tant massique que volumétrique, supérieures à celles exploitées actuellement. De plus, les matériaux magnétiques permettent vraisemblablement de fonctionner jusqu’à 800°C. La limite technologique actuelle pour les machines est clairement l’isolant des conducteurs électriques. Ce sujet de thèse propose de définir une approche théorique couplée à des validations expérimentales pour définir les matériaux les mieux adaptés aux machines hautes températures en termes de mise en œuvre et de performances électriques. La conception, repensée autour du bobinage, sera concrétisée par le calcul d’une machine asynchrone à haute température (400°C au cœur du bobinage). Le bobinage devra être placé au cœur de la démarche de conception des machines en adaptant les formes et les propriétés des circuits magnétiques aux caractéristiques des nouvelles bobines. / The windings that are currently used in electrical machines are mostly insulated based on organic insulation. The temperature limit of these windings is up to 240°C. Increasing the working temperature of electrical motors means, indirectly the increasing of current density on the main conductors. Therefore these new motors may provide a higher mass and volume power as classical machines. Furthermore, the magnetic materials can work up to 800 °C. Indeed, in reality technical limit today is the wire insulation. The objective of thesis is to define a theoretical approach combined with experimental validations for identify the appropriate electrical materials used on high-temperature electrical machines. Design is fixed around the winding, that will implemented by calculating a high-temperature asynchronous machine (400°C of windings). The windings are placed as the base of machine design and will determine the geometrical shape and properties of magnetic core.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) produisent de l’électricité à partir de la dégradation de matières organiques par des bactéries. Les PCMs sont considérées comme des micro- génératrices à faible tension et faible puissance. Dans le but de récupérer l’énergie électrique produite afin de pouvoir alimenter des capteurs autonomes, des architectures mettant en œuvre plusieurs piles seront préférées. L'association d'un grand nombre de PCMs individuelles offre des perspectives très intéressantes notamment au niveau de la production d'énergie électrique. Cela permet d’atteindre des niveaux de tension acceptables en sortie et permet de mutualiser les puissances électriques de chaque cellule. L’association série d’un grand nombre de PCMs est un défi en soi à cause des couplages hydrauliques (lorsque les PCMs partagent le même substrat) et à cause des non-uniformités entre générateurs qui mènent à une association non-efficace. Les circuits d'équilibrage de tension peuvent être une solution pour compenser ces inhomogénéités. Ils peuvent améliorer l’efficacité de l’association et prévenir le phénomène d'inversion de tension. L’association hydraulique des biopiles permet d’éviter la chute de puissance liée au manque de carburant. Une fuite de charge entre les PCMs va diminuer le rendement global de l’association. Le débit du flux doit être contrôlé pour éliminer ce problème. Un flux de la cathode vers l’anode provoque des pertes supplémentaires dues à la fuite d’oxygène. La récupération d’énergie à partir de PCMs nécessite une unité de gestion d’énergie qui adapte la tension et contrôle le fonctionnement de la PCM. Un convertisseur flyback à faible tension d’entrée, autonome et auto-démarrant a été conçu et optimisé pour la récupération d’énergie à partir des PCMs. La récupération d’énergie à partir des PCMs peut être présentée comme une source alternative pour éliminer les batteries dans les applications de faible puissance (capteur autonome). / Microbial Fuel Cells (MFCs) are bioreactors that convert chemical energy in organic compounds to electrical energy through the metabolism of microorganisms. Organic matters are widely available in the environment that contains a huge amount of energy. This energy could be harvested, converted, by the technology of MFCs, to be used in certain applications. Energy production of a MFC is limited in low voltage value and low-power values what limits the potential applications. To step-up the voltage of MFCs to be suitable for real applications, an efficient power management unit (PMU) is required with a specific design to deal with their characteristics. A flyback converter under discontinuous conduction mode (DCM) is the most adapted to such low-power source like MFCs, offers a simple implementation, and low losses conversion system. The flyback converter has a good efficiency that can reach 75% with one MFC and about 80% when it is supplied by a serial stack of MFCs. Associations of MFCs are very interesting to increase the output power and expand the domain of application. Parallel association is a method to increase the output current but it imposes limitations in conversion efficiency due to the low output voltage of the stack. Contrarily, the serial association steps-up the voltage what leads to better performance of the converter. However the non-uniformities between cells in a serial stack affect negatively the performance of the stack. Voltage balancing circuits are considered as the solution to compensate this phenomenon. In the switched-capacitor method, an external capacitor is used to transfer the energy from the strongest MFC(s) to the weakest one(s). The losses in the switched-capacitor circuit are less than the losses of the switched-MFCs. The switched-capacitor offers an efficient, simple, low consumption method to optimize the performance and prevent the voltage reversal of the weak cells. Integration of this circuit can optimize the efficiency. Continuous operation mode by hydraulically connection between MFCs can continuously refresh the substrate to give an autonomous energy harvesting system. On the other hand, in some applications, e.g. a wastewater treatment plant, MFCs could not be hydraulically isolated. In this configuration, a leakage charge between the associated MFCs will decrease the global efficiency. The flow rate has to be controlled to eliminate this problem. A flow from cathodes to anodes causes additional losses due to the oxygen leakage. A temperature sensor is continuously supplied by alternatively connecting two MFCs. Each MFC supplies the sensor for two days. The flyback converter is able to continuously supply the sensor from the energy harvested from one continuously-fed MFC. This could be a good example, in a wastewater treatment plant (WWTP), to supply monitoring systems or also to supply low power applications of a building from a local WWTP.