The work is focusing on dynamic effects of short-circuit currents, more precisely dynamic effects of short-circuit currents on switchgear cabinet (terminal box). The work was designated to a concrete construction type of two switchgear cabinets located on rotating machines via company Siemens Electric Machines Drásov s.r.o.. The switchgear cabinets are designed for non-explosive environment where the air is used as an insulating medium. The task was to determine how the device will behave during the three-phase short-circuit and three-phase short-circuit with earth/ground connection. The following programs were used for the calculations and simulations: Ansoft Maxwell 16.0, Ansoft Maxwell 2015 and ANSYS Workbench 16.0. By using these programs the effects of forces which acts on current paths in cabinet caused by the passage of short-circuit current were simulated, statically and also dynamically. Further the effects of pressure acting on cabinet frame during the arc short-circuit have been statically and dynamically simulated. All the results are summarized in the conclusion. Conclusion also contains the final evaluation of the functionality of both switchgear cabinets.

The master thesis is focused on the simulation of the toroid coils in Ansoft Maxwell 3D software, which uses finite element method for electromagnetic field simulation. Firstly the process creation of the geometric model toroid coil with seventy-five threaded is presented. It is necessary to debug this model and prepare it for the mesh generation. Physical properties are assign to this model and it gives rise to the physical model. We will set boundaries, excitation current, core material, winding material and the parameters for the mesh generations. New material Kashke K4000 will be created in the materials library and subsequently we will define its BH curve on the basis of datasheet. Analysis is made in two modes. Direct currents (7,5A; 10A; 15A; 20A; 25A) and (non)linear materials are used in magnetostatic solution. Toroid coil is excited by current pulse in transient solution. In Ansoft Maxwell Circuit editor a source which generates current pulse will be created. This excitation will be assigned to the toroid coil as an extern source through a terminal. Core material is linear in the case of transient analysis, because Ansoft Maxwell 3D doesn´t allow to use nonlinear material in this solution. Settings are different in transient and in magnetostatic analysis. End time and time step are entered to solve this task in transient analysis. Time points are entered too. Flux density and electromagnetic field strength are calculated in these time points and later it will be possible to view the results. Calculated fields are shown as the pictures in this thesis. The procedure how to use a field calculator in the postprocessing is given as well. The achievements are summarized in the conclusion.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la construction d'éléments finis d'ordre élevé adaptés aux maillages hybrides, pour la résolution de systèmes hyperboliques linéaires en régimes harmonique et temporel. L'accent est plus particulièrement porté sur la construction d'éléments pyramidaux. On étudie trois formulations pour lesquelles on cherche des éléments finis "optimaux" au sens de la convergence dans la norme de l'espace considéré pour la formulation. Pour les formulations H^1 et H(rot), on construit des éléments finis "optimaux" nodaux et hp. Les matrices élémentaires sont évaluées grâce à des formules de quadrature adaptées et des estimations d'erreur sont effectuées pour vérifier la convergence des éléments optimaux construits. Pour la formulation discontinue LDG (Local Discontinuous Galerkin), on présente des éléments utilisant des fonctions de base orthogonales permettant de mettre au point une construction de la matrice de masse et un produit matrice-vecteur rapides. Dans le cas des trois formulations, on étudie les propriétés numériques des éléments construits, on vérifie que l'on retrouve bien numériquement la convergence théorique et on compare nos éléments avec d'autres éléments trouvés dans la littérature. Finalement, on présente des expériences numériques en 3D avec l'équation des ondes ou de Helmholtz, et les équations de Maxwell dans le cas des régimes temporels et harmoniques. On montre ainsi l'efficacité des maillages hybrides par rapport aux maillages purement tétraédriques ou aux maillages hexaédriques obtenus en découpant chaque tétraèdre d'un maillage purement tétraédrique en quatre hexaèdres.

Cette thèse est essentiellement composée de deux parties. Dans la première partie, on étudie le système d'Euler-Maxwell. En utilisant la méthode d'intégration de l'énergie classique, on montre l'existence et l'unicité de solutions régulières du système avec données initiales petites. Ensuite, on étudie la limite de relaxation en montrant que, le sytème d'Euler-Maxwell converge vers les équations de dérive-diffusion quand le temps de relaxation tend vers zéro. Dans la deuxième partie, on cherche la contrôlabilité et l'observabilité exactes frontières de systèmes hyperboliques quasi-linéaires dans un réseau du type d'arbre. On établit des résultats d'existences de la contrôlabilité et l'observabilité par des méthodes constructives qui sont basées sur la théorie de la solution C1 semi-globale du système hyperbolique quasi-linéaire du premier ordre avec conditions initiales et frontières. Ensuite, on trouve des dualités de la contrôlabilité et l'observabilité.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution des <br />équations de Maxwell en régime fréquentiel, afin de calculer<br />précisément la signature radar de cibles diverses. Pour avoir<br />une grande précision nécessaire pour des expérience de grande taille,<br /> nous utilisons des méthodes d'ordre élevé.<br /><br />Dans le cas scalaire, les éléments finis spectraux hexaédriques<br />avec condensation de masse, permettent d'obtenir un produit matrice vecteur <br />rapide et peux coûteux en stockage. Dans le cas vectoriel, les hexaèdres<br />de la première famille ne réalisent pas la condensation de masse, mais on peut<br />écrire un algorithme rapide de produit matrice-vecteur. Des résultats<br />numériques 3-D montrent la performance de l'algorithme proposé.<br /><br />Nous traitons également le cas où la géométrie présente<br />une symétrie de révolution. On est alors ramenés à une succession<br />de problèmes 2-D indépendants.<br />Nous proposons une méthode éléments finis d'ordre élevé <br />couplée à des équations intégrales d'ordre élevé.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’amélioration du schéma de Yee pour traiter demanière plus efficace et pertinente les problèmes industriels auxquels nous sommes confrontés à l’heureactuelle. Pour cela, nous cherchons avant tout à diminuer les erreurs numériques de dispersion et àaméliorer les modélisations des géométries courbes ainsi que des réseaux de câbles. Pour répondre àces besoins, une solution basée sur un schéma Galerkin discontinu pourrait être envisagée. Toutefois,l’utilisation d’une telle technique sur la totalité du volume de calcul est relativement coûteuse. De plus,la prise en compte de structures filaires sur un tel schéma n’est pas encore opérationnelle. C’est pourquoi,dans l’optique d’avoir un outil industriel, et après une étude bibliographique, nous nous sommes plutôtorientés sur l’étude d’un schéma éléments finis (FEM) sur maillage cartésien qui possède toutes lesbonnes propriétés du schéma de Yee. Notamment, à l’ordre d’approximation spatiale égal à 0 ce schémaFEM est exactement le schéma de Yee, et, pour des ordres supérieurs, il permet de réduire fortementl’erreur de dispersion numérique de ce dernier. Dans le travail de cette thèse, pour ce schéma, nous avons notamment donné un critère de stabilité théorique, étudié sa convergence théorique et fait une analyse de l’erreur de dispersion. Pour tenircompte des possibilités d’ordre d’approximation spatiale variable par direction, nous avons mis en placeune stratégie d’affectation des ordres suivant le maillage donné. Ceci nous a permis d’obtenir un pas detemps optimal pour une précision souhaitée tout en réduisant les coûts de calcul. Après avoir porté ceschéma sur des machines de production, différents problèmes de CEM, antennes, IEM ou foudre ont ététraités afin de montrer les avantages et le potentiel de celui-ci. En conclusion de ces expérimentationsnumériques, il s’avère que la méthode est limitée par le manque de précision pour prendre en comptedes géométries courbes. Afin d’améliorer cela, nous avons proposé une hybridation entre ce schéma et leschéma GD que l’on peut étendre aux autres schémas comme les méthodes différences finies (FDTD) etvolumes finis (FVTD). Nous avons montré que la technique d’hybridation proposée conserve l’énergie etest stable sous une condition que nous avons évaluée de manière théorique. Des exemples de validationont ensuite été montrés. Enfin, pour tenir compte des réseaux de câbles, un modèle de fils minces d’ordred’approximation spatiale élevé a été proposé. Malheureusement, celui-ci ne peut pas couvrir l’ensembledes cas industriels et pour remédier à cela, nous avons proposé une hybridation de notre approche avecune équation de ligne de transmission. L’intérêt de cette hybridation a été montré sur un certain nombred’exemples, que nous n’aurions pas pu traiter par un modèle de structure filaire simple. / In this thesis, we study the improvement of the Yee’s scheme to treat efficiently and in arelevant way the industrial issues we are facing nowadays. For that, we first of all try to reduce thenumerical errors of dispersion and then to improve the modeling of the curved surfaces and of theharness networks. To answer these needs, a solution based on a Galerkin Discontinuous (GD) methodhas been first considered. However, the use of such method on the entire modeling volume is quite costly ;moreover the wires are not taken into account in this method. That is the reason why, with the objectiveof an industrial tool and after a large bibliographic research, we headed for the study of finite elementsscheme (FEM) on a Cartesian mesh which has all the good properties of the Yee’s scheme. Especially,this scheme is exactly the Yee’s scheme when the spatial order of approximation is set to zero. Forthe higher orders, this new scheme allows to greatly reduce the numerical error of dispersion. In theframe of this thesis and for this scheme, we give a theoretical criterion of stability, study its theoreticalconvergence and we perform an analysis of the error of dispersion. To take into account the possibilityof the variable spatial orders of approximation in each direction, we put in place a strategy of orderaffectation according to the given mesh. This strategy allows to obtain an optimal time step for a givenselected precision while reducing the cost of the calculations. Once this new scheme has been adaptedto large industrial computing means, different EMC, antennas, NEMP or lightning problems are treatedto demonstrate the advantages and the potential of this scheme. As a conclusion of these numericalsimulations we demonstrate that this method is limited by a lack of precision when taking into accountcurved geometries. To improve the treatment of the curved surfaces, we propose an hybridization between this scheme andthe GD scheme. This hybridization can also be applied to other methods such as Finite Differences(FDTD) or Finite Volumes (FVTD). We demonstrate that the technique of hybridization proposed,allows to conserve the energy and is stable under a condition that we study theoretically. Some examplesare presented for validation. Finally and to take into account the cables, a thin wire model with a highorder of spatial approximation is proposed. Unfortunately, this model does not allow to cover all theindustrial cases. To solve this issue we propose an hybridization with a transmission line method. Theadvantage of this hybridization is demonstrated thanks to different cases which would not have beenfeasible with a more simple thin wire method.

Submitted by Samira Prince (prince@ufpa.br) on 2012-05-15T17:33:14Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_DesenvolvimentoInterfaceGrafica.pdf: 20163291 bytes, checksum: 9938bc67d66587a1fee8d5f71d8e8a3a (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Samira Prince(prince@ufpa.br) on 2012-05-15T17:33:39Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_DesenvolvimentoInterfaceGrafica.pdf: 20163291 bytes, checksum: 9938bc67d66587a1fee8d5f71d8e8a3a (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-15T17:33:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_DesenvolvimentoInterfaceGrafica.pdf: 20163291 bytes, checksum: 9938bc67d66587a1fee8d5f71d8e8a3a (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2011 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, é implementada uma interface gráfica de usuários (GUI) usando a ferramenta Qt da Nokia (versão 3.0). A interface visa simplificar a criação de cenários para a realização de simulações paralelas usando a técnica numérica Local Nonorthogonal Finite Difference Time-Domain (LN-FDTD), aplicada para solucionar as equações de Maxwell. O simulador foi desenvolvido usando a linguagem de programação C e paralelizado utilizando threads. Para isto, a biblioteca pthread foi empregada. A visualização 3D do cenário a ser simulado (e da malha) é realizada por um programa especialmente desenvolvido que utiliza a biblioteca OpenGL. Para melhorar o desenvolvimento e alcançar os objetivos do projeto computacional, foram utilizados conceitos da Engenharia de Software, tais como o modelo de processo de software por prototipagem. Ao privar o usuário de interagir diretamente com o código-fonte da simulação, a probabilidade de ocorrência de erros humanos durante o processo de construção de cenários é minimizada. Para demonstrar o funcionamento da ferramenta desenvolvida, foi realizado um estudo relativo ao efeito de flechas em linhas de baixa tensão nas tensões transitórias induzidas nas mesmas por descargas atmosféricas. As tensões induzidas nas tomadas da edificação também são estudadas. / In this work, we have implemented a graphical user interface (GUI) by using the Nokia Qt library (version 3.0). The interface is designed to simplify the creation of scenarios for executing parallel E.M. Simulations by using the numerical technique Local Non-Orthogonal Finite Difference Time-Domain (LN-FDTD) method, applied to solve Maxwell's equations. The simulator was developed by using the C programming language and parallelized by using threads. This way, the pthread library was employed. The 3D visualization of the scenario and of the corresponding mesh to be simulated is performed by a specially developed program based on the OpenGL specification. In order to improve the development and to achieve the goals of computational design, we have used concepts of software engineering, such as the process model for software prototyping. Depriving the user to interact directly with the source code of the simulation program, the probability of human errors while performing the constructing process of scenarios is minimized. In order to demonstrate the operation of the developed tool, a study regarding lightning-induced voltages on low voltage lines with catenaries is performed. Induced voltages inside a small building (a residence) are also studied.

Dans ce mémoire, nous présentons une stratégie basée sur une approche hybridedans le domaine temporel, couplant une méthode de résolution des équations de Maxwelldans le domaine 3D (FDTD) avec une méthode de résolution des équations de ligne detransmission, afin de pouvoir simuler des problèmes électromagnétiques de grande échelle. Lemémoire donne les éléments d’hybridation pour deux cadres d’utilisation de cette approche :une approche multi-domaine et une approche multi-résolution ou d’échelle.L’approche multi-domaine est une extension de la méthode FDTD 3D à plusieurs sousdomainesreliés par des structures filaires sur lesquelles on résout une équation de lignes detransmission par un formalisme FDTD 1D. La difficulté est d’abord d’avoir une définitionimplicite du champ électromagnétique dans la théorie des lignes de transmission, et d’autrepart de prendre en compte les effets du sol sur les courants induits au niveau des lignes etsur les champs électromagnétiques.L’approche multi-résolution ou d’échelle est conçue pour étendre les capacités de la méthodeFDTD au traitement du routage de câbles complexes ayant une section plus petite quela taille de la cellule. Ce mémoire présente différentes techniques pour évaluer les paramètresde la ligne, basées sur la résolution d’un problème de Laplace 2D, ainsi qu’une méthode decouplage champs/câbles basée sur le courant de mode commun.L’ensemble de ce travail nous a permis de proposer une méthode numérique efficace pourcalculer les effets électromagnétiques induits par une source (type onde plane ou dipolaire)sur des sites de grande dimension, composés de plusieurs bâtiments reliés entre eux par unréseau de câbles. Dans ce cadre une application à la foudre a été réalisée. / In this thesis, we present a strategy based on a hybrid approach in the timedomain, by coupling 3D method (FDTD) with a multi-conductors transmission line (MTL)method, in order to simulate complex large scale electromagnetic problems. This reportgives the theoretical and numerical elements for coupling these approaches for two kindof problems, which are the multi domains approach and the multi scale approach. Themultiple domains approach is an extension of the classical FDTD method taking into accountseveral 3D subdomains, interconnected by a wire network, on which a 1D transmission lineformalism is used. The main issues are, on one hand to have an implicit expression ofthe electromagnetic field in the transmission line approach, and on the other hand to beable to take into account the ground effects on the induced currents, on the transmissionline parameters and on the electromagnetic field. The multi scale approach is developed toextend the capabilities of FDTD to deal with complex cables routing. We assume that thecross section of the cables are smallest than the cell size, and in these problems, the 1Dtransmission line problem is physically included in the 3D global computational domain.The work done in this thesis leaded to a new field to transmission line coupling based onthe common mode current, and an evaluation of the transmission. line parameters basedon a Laplace equation resolution in 2D. In this work, we have elaborated and proposedefficient numerical strategies for the computation of electromagnetic induced effects on largeand complex sites, composed of several interconnected distant buildings. An application tolightning problems have been done.

Les travaux de cette thèse concernent l'étude d'une méthode d'évaluation des constantes diélectriques du béton d'ouvrage à risque par une approche problème inverse. Pour cela des mesures radar de type GPR et un modèle électromagnétique de ces mêmes mesures seront utilisés. Les deux premiers chapitres de la thèse présentent les concepts clés, le contexte et un historique des travaux déjà réalisés dans le domaine. Le chapitre 2 propose en outre une adaptation des travaux déjà réalisés à la recherche de gradients de propriétés diélectriques dans le béton en profondeur. Cette recherche préliminaire nous a permis de redéfinir le processus de mesures pour le rendre plus adapté à nos besoins. Ainsi le chapitre 3 présente une campagne de mesure réalisée à l'aide d'un nouveau dispositif radar sur des corps d'épreuve conditionnés de telle sorte que la répartition de la teneur en eau soit maîtrisée. Dans ce chapitre, nous détaillons également un nouveau modèle numérique 3D du dispositif qui nous permet de simuler nos mesures de façon réaliste Ces simulations sont nécessaires à l'expression du problème inverse. à partir de ces mesures, dans le quatrième chapitre, nous définissons tout d'abord le problème inverse, puis en utilisant des mesures sur les corps d'épreuves saturés, pouvant être considérés comme homogènes d'un point de vue diélectrique, nous résolvons ce problème inverse par un algorithme d'optimisation basé sur celui de Levenberg-Marquardt. Les résultats obtenus par notre processus d'inversion sont cohérents avec les valeurs physiques que l'on pouvait attendre et sont indépendants des valeurs données à nos inconnues lors de l'initialisation. Ces résultats correspondent effectivement à un minimum de la fonction coût qui mesure la distance entre mesures et simulations. Nous avons ensuite étudié des stratégies pour diminuer le temps de calcul de notre processus d'inversion. Une première approche consiste à utiliser un modèle simplifié en 2D du dispositif, qui permet d'initialiser l'inversion 3D avec un point plus proche de la solution. Une autre idée consiste à utiliser au mieux les performances d'une machine multiprocesseurs en parallélisant le code 3D. Dans le chapitre 5 nous nous intéressons à des mesures sur des corps d'épreuve en béton dont la teneur en eau est une fonction affine de la profondeur. Dans ces conditions nous avons fait l'hypothèse, en première approche, que les constantes diélectriques suivent aussi ce type de loi. Après avoir redéfini les inconnues de notre problème inverse et adapté l'algorithme, nous montrons que le processus d'inversion fourni des résultats cohérents en ce qui concerne la permittivité diélectrique, mais insatisfaisant pour la conductivité. Après analyse de ces résultats nous avons proposé diverses pistes pour améliorer et valider la méthode d'inversion. Finalement en comparant l'ensemble des résultats, il apparaît que notre méthode d'inversion permet de caractériser des gradients de permittivité, mais pas de conductivité. Cela représente néanmoins une avancée significative pour la mesure de la teneur en eau dans les bétons, facteur principal influençant la constante diélectrique de ce matériau, dans le contexte du contrôle non destructif des ouvrages du génie civil. / That thesis aims to propose an assessment method of the concrete electromagnetic properties by using radar measurements in a context of building sustainability, by inverse problem. For that purpose Ground Penetrating Radar (GPR) measurements are used as well as a numerical model of the radar device. The first two chapters of the thesis present the key concepts, the context of the study, as well as the history of the research on that topic in particular in our laboratory. Chapter 2 also expands those early works on the search of electromagnetic properties of concrete in depth. That preliminary work helped us to develop a measurement device that is more fitted to our needs. Chapter 3 presents a measurement campaign that was carried out by using a new measurement device on specially made reinforced concrete slabs whose water content is monitored. In that chapter a 3D model of the device is also described. That model allows us to simulate the measurements very precisely. Those simulations are a critical link on the inverse process. Chapter 4 details the formulation of the inverse problem for the case of concrete slabs saturated with water, which can be therefore considered to have homogeneous electromagnetic properties. The problem is solved by using an optimization algorithm based on Levenberg-Marquardt method. The values obtained by the inverse process are physically acceptable and independent of the values given to the unknowns when initializing the algorithm. Those values are the minimum of the cost function that computes the distance between measured and simulated electromagnetic fields. We then studied some strategies to reduce the computing time of the inverse process. A first approach consists in the use of a 2D simplified model of our device to initialize the 3D inversion with values closer to the searched solution. Another idea is to better take advantage of all the resources of a multiprocessor computer by implementing a parallel version of the 3D code. In chapter 5 we focus on the concrete slab with water content being an affine function of depth. We define the new parameters that represent the unknowns of our problem and we adapt the previous algorithm. Then we show that the inverse process gives satisfying results with regard to the dielectric permittivity only. We suggest some ways to improve the method. Finally we conclude that our method allows to retrieve the permittivity of the concrete, but not its conductivity. Nevertheless that result represents a significant step for the measuring of water content in reinforced concrete in particular when a gradient is present, by using radar measurements.

Ce manuscrit présente différentes études expérimentales qui s'inscrivent dans le cadre d'une recherche dont l'objectif est la réalisation d'un “laser à atomes” continu et intense. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental qui permet de mettre en oeuvre le refroidissement par évaporation forcée d'un jet atomique guidé magnétiquement. Le gain observé, d'un facteur 10, sur la densité dans l'espace des phases est limité par la dynamique collisionnelle du jet.<br />Pour améliorer les performances du refroidissement, il apparaît nécessaire de développer de nouvelles techniques expérimentales. Nous détaillons ainsi une nouvelle méthode d'évaporation très efficace, par mise en contact des atomes du jet avec une surface matérielle.<br />Les autres études menées portent sur la production et la manipulation de nuages atomiques ultra-froids. La première consiste à ralentir des paquets atomiques par réflexion sur un miroir magnétique mobile. La seconde permet la capture et le refroidissement d'une succession de paquets atomiques dans un train de pièges de Ioffe-Pritchard. La dernière technique met en oeuvre un piège dipolaire, produit par un faisceau laser de forte puissance, afin de produire puis de mettre en mouvement des paquets atomiques ultra-froids très denses. Nous présentons enfin un nouveau protocole d'imagerie par absorption donnant accès à des mesures quantitatives et précises des nuages atomiques optiquement épais que nous produisons.