Orientador: Elnatan Chagas Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T01:27:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cremonezi_AlcidesOliveira_M.pdf: 4474466 bytes, checksum: 5a33efaeb2ab330c00861ab393b6c732 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os sensores a fibra óptica são imunes à interferência eletromagnética (EMI), eles são normalmente encontrados em ambientes eletricamente ruidosos, especialmente em linhas de transmissão de alta voltagem. Essa é a característica principal que faz desse tipo de sensores ideais para empresas de Energia Elétrica. Esse trabalho apresenta uma nova abordagem, de precisão moderada, robusta e de baixo custo, para a fabricação de um transdutor de corrente elétrica para alta tensão, com detecção magnetostritiva utilizando material inteligente, Terfenol-D, e sensoriamento óptico através de grade de Bragg em fibra óptica (FBG). O núcleo magnético foi desenvolvido em formato toroidal e construído utilizando usinagem através de eletro-erosão, o que resultou em uma peça única com projeto mecânico robusto. Aplicando compressão mecânica ao sensor toroidal e fazendo sua resposta ficar muito próxima a uma função quadrática, foi possível calcular o valor RMS da corrente diretamente do sinal de saída do sensor, e com isso, eliminar qualquer polarização magnética DC utilizada em técnicas anteriores reportadas na literatura. Foi utilizada com sucesso, uma nova técnica de circuito eletrônico de interrogação que permite a medida de sinais AC e mantém o ponto de operação DC da FBG. Resultados experimentais medidos com o transdutor óptico desenvolvido mostraram que entre correntes de aproximadamente 200 a 900A o erro observado foi de apenas 1,2% e sua dependência com a temperatura dentro de um range de 25 a 450C mostrou erro máximo de 2%. O sistema desenvolvido apresenta rápida resposta a transiente e precisa de somente 34ms para alcançar o estado estacionário quando submetido a um aumento de 150% da corrente nele medida. Os resultados mostram que o projeto sugerido é adequado e muito promissor para a construção comercial de um transdutor óptico de corrente para alta tensão / Abstract: Optical sensors are passives and immunes to electromagnetic interferences (EMI), they are well suited for applications in electrically noisy environments, especially in high voltages transmission lines. This is the main characteristic that makes them ideal to electrical energy companies. A new approach to the fabrication of, moderated precision, robust and low-cost fiber Bragg gratings (FBG) optical current transducers using a Terfenol-D magnetostrictive smart material is presented. Electro-erosion was used to manufacture a magnetic core in a toroidal shape which resulted in a single piece robust mechanical design. By applying mechanical compression to the toroidal sensor and making its response very close to a quadratic function, it is possible to calculate the RMS value of the current directly from the output of the sensor and eliminate the DC biasing magnetic field used in previous literature reported techniques. A new electronic interrogation circuit technique which allows the measurement of AC signals and keeps the DC operation point of the FBG was implemented and successfully used in the prototype. Experimental results measured in the developed optical current transducer showed that an error of 1.2% was achieved for currents over approximately the 200 to 900A range and its temperature dependence in a range of 25 to 450C has showed a maximum error of 2%. The developed system presents a fast transient response, and needs only 34ms to reach the steady state after a 150% amplitude step increase is applied to current being measured. The results shows that the developed project is feasible and also very promisor to be considered on commercial applications / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Aujourd’hui les réseaux électriques sont exploités dans un marché dérégulé. Les gestionnaires des réseaux électriques sont tenus d’assurer un certain nombre de critères de fiabilité et de continuité du service, tout en minimisant le coût total consacré aux efforts effectués pour maintenir la fiabilité des installations. Il s’agit de trouver une stratégie, qui répond à plusieurs exigences, comme :le coût, les performances, la législation, les exigences du régulateur, etc. Cependant, le processus de prise de décision est subjectif, car chaque participant ramène sa contribution sur base de sa propre expérience. Bien que ce processus permette de trouver la « meilleure » stratégie, cette dernière n’est pas forcément la stratégie « optimale ». Ce compromis technico-économique a sensibilisé les gestionnaires des réseaux électriques à la nécessité d’un recours à des outils d’aide à la décision, qui doivent se baser sur des nouvelles approches quantitatives et une modélisation plus proches de la réalité physique.<p>Cette thèse rentre dans le cadre d’un projet de recherche lancé par ELIA, et dénommé COMPRIMa (Cost-Optimization Models for the Planning of the Renewal, Inspection, and Maintenance of Belgian power system facilities). Ce projet vise à développer une méthodologie qui permet de modéliser une partie du réseau électrique de transport (par les réseaux de Petri stochastiques) et de simuler son comportement dynamique sur un horizon donné (simulation de Monte Carlo). L’évaluation des indices de fiabilité permet de comparer les différents scénarios qui tentent d’améliorer les performances de l’installation. L’approche proposée est basée sur la stratégie RCM (Reliability-Centered Maintenance).<p>La méthodologie développée dans cette thèse permet une modélisation plus réaliste du réseau qui tient compte, entre autres, des aspects suivants :<p>- La corrélation quantitative entre le processus de maintenance et le processus de vieillissement des composants (par un modèle d’âge virtuel) ;<p>- Les dépendances liées à l’aspect multi-composant du système, qui tient compte des modes de défaillance spécifiques des systèmes de protection ;<p>- L’aspect économique lié à la stratégie de maintenance (inspection, entretien, réparation, remplacement), aux coupures (programmées et forcées) et aux événements à risque (refus disjoncteur, perte d’un client, perte d’un jeu de barres, perte d’une sous-station, etc.). / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les objectifs de la thèse sont d'élaborer des systèmes d'instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l'état d'intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l'aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l'effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d'une part de suivre le vieillissement, mais aussi d'autre part afin de comprendre l'effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d'instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l'estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d'évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s'est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l'analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de " transformateur analogique " modélisant capteurs à CF ou bien d'inversion de modèle semi-analytique dans le cas l'estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d'une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi " in situ " de l'intégrité des composants.

Les objectifs de la thèse sont d’élaborer des systèmes d’instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l’état d’intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l’aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l’effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d’une part de suivre le vieillissement, mais aussi d’autre part afin de comprendre l’effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d’instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l’estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d’évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s’est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l’analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de « transformateur analogique » modélisant capteurs à CF ou bien d’inversion de modèle semi-analytique dans le cas l’estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d’une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi « in situ » de l’intégrité des composants. / This thesis is dedicated to develop electronic instrumentation systems that allow to analyse the ageing process and to make a diagnosis the failure mechanisms of power semiconductor device. The research objectives were to evaluate the electrical conductivity variation of metallization layer using the eddy current technique but also to estimate the ageing effect of the semiconductor dies and their module packaging on the current distribution in the die, to better understand the mechanism failures. The specimens simplified and the power semiconductor modules were aged by thermal cycles. The various sensors have been used (eddy current sensor, Hall sensor), to follow the ageing process, and to understand the ageing effect on the power semiconductor die. The experimental instrumentation system has been developed and used, to realize the non destructive evaluation by the eddy current technique on the metallization layer and to measure the map of magnetic field induced above the die by the magnetic sensor, the potential distribution. In the first time, this system allowed to evaluate the relevance and the performance of different type sensors used for the local measure on the electrical conductivity by eddy current sensors and on the currents distribution by Hall sensors or the potential distribution of the source metallization layer. This work was also supported by the signal processing techniques. To estimate quantitatively the electrical conductivity of metallization layer by the eddy current sensors, a model using the two-winding transformer analogy simulate the electromagnetic interaction between the sensor and the conducting plate. And, the current distribution from the measured data is given by inverting a mesh-free modeling of the induced magnetic field. The results obtained from these models can allow us to firstly understand certain failure mechanisms, but also to propose the integrated circuit with the sensors for monitoring "in situ" the state ageing of power semiconductor device.