Submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering, Durban University of Technology, Durban, South Africa, 2017. / Much equipment in the eThekwini Electricity network has been in use for several decades. Failure of this equipment could critically impact electricity supply to customers, and result in high costs associated with loss of load and/or component replacement. The fundamental motive for any power utility is to plan, operate, and maintain power infrastructure such that customers receive reliable electric services at the minimum expense possible. For this dissertation, the Reliability Centered Maintenance (RCM) model was implemented in the eThekwini Electricity network. This model emphasises the importance of long-term planning and allocation of resources over the life time of a transformer, or any other component. RCM is an ongoing process that entails gathering data from operating systems performance, and using this data to improve design, operation, and maintenance of the system. The eThekwini Power network failure statistics for the previous five years were collected and thoroughly analysed to identify critical components associated with higher failure rates, and associated consequences. Upon examination, it was determined that the power transformer is a critical component of the system. The transformer plays a significant role in the power system due to its remarkable effect on overall reliability, in addition to the fact that it is a major cost factor in the power grid. Transformer management comprises of identifying the appropriate type and frequency of maintenance, and the appropriate time to replace the transformer in a cost-effective manner. The Markov model for ascertaining the transformer’s remaining service life was applied on the identified critical transformer. The transformer deterioration process is modelled by representing the oil insulation by discrete stages. Using the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standard for interpreting the transformer insulation, the transformer under review was found to be at stage two. Further analysis was performed on system unavailability rates versus mean time to first failure (MTTFF). The analyses indicated that the higher the MTTFF, the longer the system availability whereas the lower the MTTFF, the more reduced the system availability. Improving the MTTFF rates of a system will enhance reliability. The effective application of RCM will optimise the maintenance processes with reasonable expenditures. / M

La presente tesis describe la gestión logística de la cadena de suministros en empresas proveedoras de suministros eléctricos, en función a los 4 eslabones que la componen: aprovisionamiento, producción, distribución y post venta y logística inversa, para determinar la influencia que tuvo en el éxito de estas empresas en Lima Metropolitana. Para ello, se analizó a cuatro empresas del sector, además de realizar un análisis de transformadores eléctricos importados, ya que es uno de los ejes principales que permiten un óptimo flujo de la corriente eléctrica. Nuestra investigación está dividida en 5 capítulos, los cuales se detallan a continuación: En el primer capítulo, se muestran los antecedentes nacionales e internacionales, como parte del marco teórico de la investigación. En el segundo capítulo, se abordó el plan de investigación, donde se formuló el problema, objetivos e hipótesis sobre el tema en estudio. El tercer capítulo, está centrado en la parte metodológica de la tesis, describiendo el diseño de la investigación, el tamaño de muestra, también se explica a detalle las técnicas de instrumentos de recolección empleados para realizar la investigación, asimismo se desarrollan las entrevistas y focus group para recolectar información valiosa sobre el rubro analizado. En el cuarto capítulo, se ha detallado el perfil de los entrevistados y el análisis de resultados para cada variable encontrada. Finalmente, en el último capítulo, se exponen las conclusiones y recomendaciones de la tesis, en base a los hallazgos encontrados en el capítulo anterior. / This thesis describes the logistics management of the supply chain in electricity supply companies, based on the 4 links that compose it: supply, production, distribution and post-sale and reverse logistics, to determine the influence it had on success of these companies in Metropolitan Lima. For this, four companies in the sector were analysed, in addition to carrying out an analysis of imported electrical transformers, since it is one of the main axes that allow an optimal flow of electrical current. Our research is divided into 5 chapters which are detailed below: In the first chapter, the national and international backgrounds are shown, as part of the theoretical framework of the research. In the second chapter, the research plan was addressed, where the problem, objectives, and hypotheses on the subject under study were formulated. The third chapter is focused on the methodological part of the thesis, describing the research design, the sample size, the collection instrument techniques used to carry out the research are also explained in detail, as well as the interviews and focus group to collect valuable information about the item analysed. In the fourth chapter, the profile of the interviews and the analysis of results for each code found have been detailed. Finally, in the last chapter, the conclusions and recommendations of the thesis are presented, based on the findings found in the previous chapter. / Tesis

Neste trabalho é apresentado um método para a identificação de falha causada por barras quebradas em rotores de motores de indução trifásicos através da análise de sua deformação dinâmica, utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) como elemento sensor. A análise da deformação dinâmica permite a detecção e diagnóstico de uma série de falhas mecânicas como desalinhamento, desbalanceamento, falhas em rolamentos e folga mecânica. Além de falhas mecânicas é possível identificar falhas elétricas como quebras ou trincas em anéis ou barras do rotor. Para as medidas de deformação dinâmica foram utilizados sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica que possuem como características principais a grande capacidade de multiplexação, imunidade à radiação eletromagnética e capacidade de operação a longas distâncias. Ensaios foram feitos em um motor de indução de pequeno porte (3 CV) afim de validar o método e futuramente aplicar em máquinas de médio e grande porte. O motor foi alimentado por três diferentes fontes de alimentação: rede elétrica da concessionária, geradores síncronos e inversor de frequência, para condições de 75% e 100% de sua carga nominal. Nos ensaios foram utilizados um rotor sem defeito de barra e, posteriormente, um rotor com uma barra interrompida. Através dos ensaios foi possível identificar a falha para as duas condições de carga ensaiadas e com as três diferentes fontes de alimentação. A falha de barra quebrada no rotor é identificada em duas regiões do espectro de frequência obtidos com os três conjuntos de ensaios realizados. A primeira região em torno da frequência mecânica de rotação do rotor e a segunda em torno do dobro da frequência elétrica da fonte de alimentação. O sistema se mostrou bastante sensível, com boa relação sinal ruído e com vantagens em relação aos principais métodos e sensores comumente utilizados para a identificação da falha de barras quebradas em motores de indução. / This work presents the rotor broken bar failure identification through strain analysis using fiber Bragg gratings (FBG) as sensor. The dynamic strain analysis allow the diagnostic and detect several mechanical failures like misalignment, unbalances, bearing failures and mechanical clearance, also electrical failures like rotor broken rings and rotor broken bar. Fiber Bragg gratings sensors were used to measure the dynamic deformation, some advantages of FBG are high multiplexing capability, electromagnetic interference immunity and long distance operation capability. Tests were conducted in a small induction motor (3 HP) in order to validate the method and allow it to be applied inthe future in medium and big size machines. The motor was fed through three different sources (directly from the electrical grid, synchronous generators and by one frequency inverter) at 75% and 100% of rated load condition. Tests were conducted with one healthy rotor and then with a rotor with a broken bar. The tests allow identifying the rotor broken bar failure in both load conditions. Rotor broken bar failure could be identified in two spectrum regions for all conducted tests. The first one was the region around the motor mechanical rotational frequency and the second one was the region around twice times power supply frequency. The system have been presented a high sensibility, a god signal to noise relationship (SNR) and some advantages over the main common sensors and methods used to identify and analyze the dynamic eccentricity and rotor broken bar failures in induction motors.

CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

CNPq / Este trabalho apresenta um retificador trifásico isolado com correção do fator de potência utilizando um autotransformador Scott e utilizando dois retificadores monofásicos isolados com correção do fator de potência de estágio único (S2). O autotransformador Scott faz uma redução de fases permitindo que se utilizem dois retificadores de estágio único. Os conversores monofásicos utilizados são do tipo Full-Bridge Flyback. O conversor proposto pode operar como elevador ou abaixador de tensão dependendo da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor. O controle do conversor foi feito via MCU modelo TMS320F28335. Este trabalho apresenta a análise teórica do conversor operando em modo de condução contínua (CCM), bem como os resultados experimentais baseado em um protótipode 4kw. / This work presents a three-phase isolated rectifier with power factor correction using a Scott autotransformer and two isolated single-phase single-stage (S2) rectifiers. The Scott autotransformer provides a phase reduction allowing the use of two single-phase rectifiers. The single-phase converters used are the Full-Bridge Flyback type. The proposed converter can operate as a step-down or a step-up voltage, according to the relation between input andoutput voltage. The control of the converter was made in a MCU model TMS320F28335. This paper presents the theoretical analysis of the converter for continuous conduction mode (CCM) as well as experimental results based on a 4 kW prototype.