Actuellement, il y a une baisse du prix des ressources énergétiques distribuées, en particulier l'énergie solaire photovoltaïque, conduisant à la croissance significative de leur capacité d'installation dans de nombreux pays. D'autre part, les politiques encourageant l'efficacité énergétique ont favorisé le développement de charges DC dans les zones domestiques, telles que l'éclairage LED, les ordinateurs,, les téléphones, les téléviseurs, les moteurs DC efficaces et les véhicules électriques. Grace à ce changement, le système de distribution de microgrid DC devient plus attractive que le système de distribution à courant alternatif traditionnel. Les avantages principaux du microgrid DC sont l'efficacité énergétique plus élevée, plus facile à intégrer avec les sources d'énergie distribuées et le système de stockage. Alors que de nombreuses recherches se concentrent sur les stratégies de contrôle et la gestion de l'énergie dans le microgrid DC, sa protection reçoit une attention insuffisante et un manque de réglementation et d'expériences. La protection dans les réseaux DC est plus difficile que dans le réseau AC en raison de l'arc continu, de la valeur plus élevée du courant de courtcircuit et du taux de défaut de montée. En outre, dans les réseaux distribués à courant continu sont composés de nombreux dispositifs de commutation électroniques et semi-conducteurs, qui ne supportent le courant de défaut que quelques dizaines de microsecondes. Les disjoncteurs mécaniques, qui ont un temps de réponse de quelques dizaines de millisecondes, ne semblent pas satisfaire aux exigences de sécurité du microréseau à courant continu. L'absence d'un dispositif de protection efficace constitue un obstacle au développement du microgrid DC dans le système distribué. Cette thèse propose un disjoncteur DC auto-alimenté à courant continu utilisant normalement JFET SiC, qui offre un excellent dispositif de protection pour les microgrids DC grâce à son temps de réponse rapide et ses faibles pertes à l'état passant. La conception du disjoncteur DC à semi-conducteurs vise à répondre à deux objectifs: temps de réponse rapide et fiabilité. Les spécifications conçues et les énergies critiques qui entraînent la destruction du disjoncteur sont identifiées sur la base des résultats mesurés d'un JFET populaire dans le commerce. Un pilote de protection très rapide et fiable basé sur une topologie à convertisseur flyback avant est utilisé pour générer une tension négative suffisante pour tourner et maintenir le JFET SiC. Le convertisseur sera activé chaque fois que le disjoncteur détecte des défauts de court-circuit en détectant la tension de drain-source de JFET et crée une tension négative s'applique à la porte de JFET. Pour éviter une défaillance de la porte par surtension au niveau de la grille du JFET, la tension de sortie du convertisseur de retour vers l'avant est régulée à l'aide de la mesure coté primaire. Les résultats expérimentaux sur le prototype du disjoncteur DC ont validé les principes de fonctionnement proposés et ont confirmé que le disjoncteur DC à semi-conducteurs proposé peut interrompre le défaut en 3 μs. D'un autre côté, un modèle du JFET normalement activé dans l'environnement Matlab/Simulink est construit pour étudier les comportements du SSCB pendant une durée de court-circuit. L'accord entre la simulation et les résultats expérimentaux confirment que ce modèle JFET peut être utilisé pour simuler le fonctionnement d'un disjoncteur DC et dans l'étude du fonctionnement du microgrid DC pendant le processus de défaut et de compensation / Currently, there is a drop in the price of distributed energy resources, especially solar PVs, which leads to a significant growth of the installed capacities in many countries. On the other hand, policies encouraging energy efficiency have promoted the development of DC loads in domestic areas, such as LEDs lighting, computers, telephones, televisions, efficient DC motors and electric vehicles. Corresponding to these changes in sources and loads, DC microgrid distribution system becomes more attractive than the traditional AC distribution system. The main advantages of the DC microgrid are higher energy efficiency, easier in integrating with distributed energy sources and storage systems. While many studies concentrate on the control strategies and energy management in the DC microgrid, the protection still receives inadequate attention and lack of regulations and experiences. Protection in DC grids is more complex than AC grids due to the continuous arc, higher short circuit current value and fault rate of rising. Furthermore, the DC distributed grids are composed of many electronic and semiconductor switching devices, which only sustain the fault currents of some tens of microseconds. Mechanical circuit breakers, which have a response time in tens of milliseconds, seem not to meet the safety requirement of DC microgrids. The lack of effective protection devices is a barrier to the development of DC microgrids in the distributed systems. This thesis proposes a self-power solid state DC circuit breaker using normally-on SiC JFET, which offers a great protection device for DC microgrids due to its fast response time and low on-state losses. The design of the solid state DC circuit breaker aims to meet two objectives: fast response time and high reliability. The designed specifications and critical energies that result in the destruction of the circuit breaker are identified on the basis of the experiments of a commercial normally-on JFET. In addition, a very fast and reliable protection driver based on a forward-flyback converter topology is employed to generate a sufficient negative voltage to turn and hold off the SiC JFET. The converter will be activated whenever short-circuit faults are detected by sensing the drain-source voltage, then creating a negative voltage applied to the gate of JFET. To avoid gate failure by overvoltage at the gate of JFET, the output voltage of the forward-flyback converter is regulated using Primary Side Sensing technique. Experimental results validated the working principle of the proposed solid state DC circuit breaker with fault clearing time less than 3 μs. Additionally, a model of the normally-on JFET in Matlab/Simulink environment is built for exploring the behaviors of the solid-state DC circuit breaker during short-circuit faults. The agreement between the simulation and experimental results confirms that this JFET model can be appropriately used for the investigation of solid state DC circuit breaker operations and DC microgrids in general during fault evens and clearing fault processes

Foram desenvolvidos sistemas de medidas visando a caracterização de células solares de sílico monocristalino. Para isso, foram determinadas as características I x V no escuro para diferentes níveis de iluminação. Curvas de resposta espectral e capacitância em função da tensão inversa aplicada foram também obtidas. Foi feita uma avaliação do comportamento dessas células em função da temperatura e realizadas medidas de profundidade de junção utilizando-se três métodos distintos. Os principais parâmetros, que determinam o desempenho dessas células, foram obtidos boa concordância com a teoria e com os resultados apresentados na literatura. / Systems of measurements were developed for the characterization of single crystal silicon solar cells. For that, the curves I x V were measured in the dark and for different intensity of illumination. Curves of spectral response and of capacitance as a function of the reciprocal of the voltage were also measured. The behavior of the cells as a function of temperature was analysed and also measurements of junction depth were made by three different methods. Values for the parameters that characterize the cells were obtained, showing a good agreement with theoretical values and also with already reported values.

Le principal objectif de nos travaux était l’établissement de modèles suffisamment précis pour étudier le comportement des machines électriques en présence d’un défaut de court-circuit entre spires et d’en déduire les signatures pertinentes pour la détection de ce type de défaut. L’autre objectif était de dimensionner des machines électriques à courant de court-circuit d’amplitude limitée pour réduire le risque de propagation du défaut. La première approche de modélisation consiste à effectuer une étude complète en utilisant la méthode d’éléments finis pas à pas dans le temps. Les résultats obtenus par ce modèle "éléments finis" concernant une MSAP et une MAS, saines et aussi en présence de plusieurs défauts "entre spires" de niveaux de sévérité différents, concordent avec ceux obtenus expérimentalement sur deux bancs d’essai. La seconde approche a consisté à mettre au point un modèle "circuits électriques" dont la complexité dépend du type de structure magnétique et du type de bobinage de la machine étudiée. Nous avons proposé deux méthodes de détermination des paramètres : 1- des méthodes numériques (éléments finis) ; 2- l’établissement des nouvelles expressions analytiques. Dans le dernier chapitre, une méthode basée sur la segmentation des aimants sous un pôle qui n’est en fait qu’une démultiplication du nombre de pôles au rotor sans modification du bobinage statorique est proposée est utilisé pour réduire le courant de défaut / The main objective of this research is to establish the sufficiently precise models to study the behavior of electrical machines in the presence of inter-turn short circuit fault and then find the relevant signatures to detect this type of fault. The other objective is to design a limited short-circuit current electrical machines to reduce the risk of fault development. The first modeling approach is a comprehensive study using the time stepping finite element method. The results obtained by this model "finite element" on a MSAP and MAS, healthy and faulty, for different levels of fault severity, are close with those obtained experimentally by two test benches. The second approach is to develop a model circuit electric, whose complexity depends on the type of magnetic structure and the type of machine winding. We have proposed two methods for determining the model parameters: 1 - numerical methods (FEM) which require long time bur very precise; 2 – establish new analytical expressions which is fast but less precise. In the last part, a method based on segmentation of the magnet is presented in order to reduce the short circuit current. The segmented PM motor contains the reduced fault current and can be used in the application which requires high degree of reliability

L’utilisation des convertisseurs de puissance dans les applications de transport électrique à base de pile à combustible ouvre les portes de recherche sur la problématique de leur fiabilité puisqu’un défaut dans ces circuits pourrait provoquer une panne ou un disfonctionnement se répercutant sur l’ensemble de la chaine de traction. Le convertisseur statique considéré est un hacheur élévateur à six bras parallèles et entrelacés à fréquence de découpage égale à 100kHz ayant un gain en tension élevé (égal à 5). Il comporte avec le choix des éléments passifs une ondulation de courant d’entrée faible et interface une pile à combustible de 21kW (70V, 300A) et une charge résistive de 350V (valeur proche des réseaux comportant des batteries Li-ion). Ces systèmes incorporent des interrupteurs de puissance semi-conducteurs qui sont les composants les plus fragiles et qui sont soumis à des contraintes électriques et thermiques sévères pour les applications automobiles. L’utilisation de la technologie en carbure de silicium pour ces cellules semi-conductrices élémentaires accompagne un réel besoin industriel des filières de développement des systèmes miniaturisés et intègre les préoccupations des constructeurs automobiles autour de la mise en œuvre opérationnelles des technologies innovantes embarquées et fiables. En effet, cette technologie des composants semi-conducteurs, dit «grand-gap», est à coup sûr un candidat sérieux pour optimiser l’efficacité énergétique et l’intégration de puissance des convertisseurs, pour pile à combustible, plus robustes vis-à-vis des contraintes de l’usage transport. Dans mes travaux de thèse, les défauts de type court-circuit et circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance en carbure de silicium sont alors considérés pour satisfaire la continuité de service et annuler l’influence de cette dégradation d’une part sur la source électrochimique et d’autre part sur la charge. Les méthodes de détection proposées sont des méthodes simples et non intrusives. Elles utilisent la tension drain et source VDS de l’interrupteur de puissance comme indicateur de défaut pour juger de la présence d'un court-circuit ou un circuit-ouvert. Le principe de détection consiste à comparer la tension VDS à une tension seuil paramétrable (à fixer pour le composant en carbure de silicium). Une fois la phase inductive défectueuse est identifiée, un processus de de gestion des défauts par la commande est mis en œuvre. Dans le cas de court-circuit une stratégie de soulagement par la commande est appliquée pour adoucir la coupure de courant de la branche inductive en défaut. Puis suivra l’isolation de cette ligne via des interrupteurs spécifiques qui supportent une ouverture du circuit à fort courant (exemple: fusible ultra-rapide) et une reconfiguration par la commande du convertisseur de puissance (passage de 6 à 6-i phases, avec i nombre de défauts). Dans le cas de circuit-ouvert, qui un défaut qui isole automatiquement le bras défectueux, si aucune action préventive n’est planifiée la continuité de service est assurée mais à plus d’ondulations de courant sur les bras du convertisseur statique. Pour éviter cet effet, la reconfiguration par la commande est nécessaire. / The use of power converters in fuel cell electrical transport applications drives research to study the problem of their reliability, since a fault in these circuits could cause a breakdown or a malfunction that affects the entire system of the powertrain. The converter under consideration is a six-phase interleaved boost converter operating in unidirectional power flow in continuous conduction mode with a 100 kHz switching frequency and a high voltage gain (equal to 5). It allows, with the choice of passive elements, a low input current ripple and interfaces a 21kW fuel cell (70V, 300A) and a resistive load of 350V (value close to the networks with batteries Li-ion). These systems contain semiconductor power switches which are the most fragile components and are subject to severe electrical and thermal stresses for automotive applications. The use of silicon carbide technology for these semiconductor components accompanies a real industrial need for development of a miniaturized system and integrates the concerns of manufacturers of electric vehicles around the implementation of innovative, embedded and reliable technologies. Indeed, this technology of semiconductor components is certainly a serious candidate to optimize the energy efficiency and power integration of converters, for fuel cells, more robust against constraints of the transport use. In my thesis work, switch short-circuit and switch open-circuit faults of silicon carbide power switches are considered to satisfy the continuity of service and to cancel the influence of this degradation on both the fuel cell source and the charge. The proposed detection methods are simple and non-intrusive. They use the drain to source voltage VDS of the power switch as a fault indicator to judge the presence or not of a short-circuit or an open-circuit switch fault. The detection principle consists in comparing the VDS voltage with a configurable threshold voltage (to fix it for the silicon carbide component). Once the faulty inductive phase is identified, a fault management process by the control is implemented. In the case of switch short-circuit fault, firstly a control strategy is applied to soften the break of current of the faulty inductive phase. After faulty phase isolation using specific switches that support breaking of the high-current circuit (example: high-speed fuse) and a reconfiguration by the control of the power converter (transition from 6 to 6-i phases, with i number of faults). In the case of switch open-circuit fault, which automatically isolates the defective phase, if any preventive action is planned the continuity of service is ensured but to more current ripple on the arms of the DC/DC converter. To avoid this effect, reconfiguration by the command is necessary.

La mise en place d’un nouveau canal d’alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l’actuel canal de génération hydraulique est l’un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l’utilisation d’un PMG en tant que générateur électrique au sein d’un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d’une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n’est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l’état de santé du PMG afin d’assurer une bonne continuité de service en évitant d’ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C’est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l’estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s’il est correctement paramétré, le FKE permet d’obtenir une bonne dynamique de détection et s’avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, …), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d’un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l’indicateur de défaut est construit à partir de l’estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d’un PMG défaillant qui permet d’estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d’un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d’un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire. / The establishment of an electrical power supply channel including a Permanent Magnet Generator (PMG) to replace an hydraulic power channel is one of the current topics of research in the aeronautic field. This choice is motivated by several benefits : weight reduction, improvement of the hydraulic network avaibility and easier maintenance. However, the use of PMG as an electrical generator in an aircraft implies new issues, particularly as regards safety considerations when an internal fault occurs in the PMG. Indeed, as long as the rotor in rotating, the presence of the persistent excitation due to the magnets maintains the internal fault even if the stator is de-energized. This makes the safety procedure of PMG more complex. Therefore, it is necessary to precisely know the behavior of the PMG (healthy or faulty) to ensure the avaibility of this power supply channel in order to avoid triggering PMG safety procedure when an external fault occurs. Thus, this work deals with the on-line detection of inter-turn short-circuits in PMG, these faults have been identified as the most critical for this kind of machine Given the aeronautic context, it has been decided to work on detection methods based on parameter estimation via a mathematical model of the machine using the Extended Kalman Filter (EKF). Indeed, with an appropriate setting, the EKF provides a fast dynamic detection and can be very robust to variations in the electrical network (speed, unbalanced, ...) which is an important characteristic to ensure a reliable generation channel. Two types of mathematical model are presented for fault indicator construction using the estimations provided by the EKF. The first one is based on an healthy representation of the PMG where the fault indicator is built from the estimation of PMG electrical parameters (resistance, inductance, electromotive force constant or electrical rotational velocity). The second model uses a faulty PMG formulation to estimate the ratio of short-circuited turns. After the comparison and the experimental validation of the fault indicators behavior on a test bench at reduced power, the establishment of a inter-turn short-circuit indicator within an aircraft electrical system and its interaction with existing protections are studied in the last part of this thesis.

In Geräten und Anlagen des Stromnetzes werden Steckverbinder mit hoher Stromtragfähigkeit eingesetzt, wenn bewegliche Teile kontaktiert werden oder Betriebsmittel mit geringem Aufwand montier- und demontierbar sein müssen. Die elektrische Verbindung der Leiter wird dabei oft mit federnden Kontaktelementen realisiert. Die Kontaktelemente müssen als Teil der Strombahn während der Lebensdauer des Geräts den Betriebsstrom im Kiloampere-Bereich und im Fehlerfall bis zu einige Sekunden lang den eine Größenordnung höheren Kurzschlussstrom tragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Rechenmodelle für die innere Erwärmung von Hochstrom-Kontaktsystemen im stationären Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische Langzeitverhalten im Temperaturbereich (105…180) °C wurde experimentell mit stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden beispielhaft mit Kontaktelementen vom Typ Multilam durchgeführt. Kontaktelemente und Leiter bestanden aus versilbertem Kupfer. Für das stationäre Betriebsverhalten wurden die mit der analytischen Spannungs-Temperatur-Beziehung nach Kohlrausch berechneten Ergebnisse mit einem Erwärmungsversuch verifiziert. Die Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelement und Leiter ist bei Standardanwendungen, wie in Schaltanlagen, mit ≤ 3 K sehr klein. Deshalb ist die Leitertemperatur als Zielgröße beim Dimensionieren der Dauerstrombelastbarkeit ausreichend. Bei Kurzschlussstrombelastung wurde im Kontaktsystem eine schnelle, räumlich unterschiedlich ausgeprägte Erwärmung numerisch berechnet. Leiter und Kontaktelement erwärmen sich kontinuierlich, wobei die mittlere Endübertemperatur im Kontaktelement aufgrund des kleineren stromtragenden Querschnitts eine Größenordnung höher ist. Die Kontakte führen bei 50 Hz-Wechselstrom aufgrund ihrer vernachlässigbaren Wärmekapazität 100 Hz-Temperaturzyklen aus. Dabei können die Maximaltemperaturen noch deutlich größer als die mittlere Temperatur der Kontaktelemente sein. Im Langzeitversuch waren nach 16 000 h Betriebszeit bei 180 °C und regelmäßigen simulierten Steckvorgängen die Verbindungskräfte noch genügend groß, um die elektrischen Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Allerdings führte bei einer Betriebstemperatur von 105 °C ein thermisch instabiles Schmierfett zum vorzeitigen elektrischen Ausfall eines Teils der Steckverbinder. / Switchgear and devices for the power grid use high-power connectors if moving parts have to be contacted or equipment shall be easily mountable and dismountable. The electrical connection of the conductors is often realized by spring-loaded contact elements. As part of the main circuit, contact elements must carry the full operating current in the kiloampere-range for the entire service life of the device. In case of a fault, the short-circuit current, which is one order of magnitude larger, has to be carried for up to several seconds. In this thesis, calculation models for the inner temperature rise of high-power contact systems in steady-state continuous operation, as well as for the transient short-circuit load case were developed. Electrical and mechanical long-term performance in the temperature range from 105 to 180 °C was experimentally investigated with current carrying, grease-lubricated model connectors which were regularly unplugged and replugged. Modelling, calculations and experiments were exemplarily carried out with Multilam contact elements. Conductors and contact element consisted of silver-plated copper. The analytical voltage-temperature relation was used to calculate the steady-state performance; calculations were verified with a temperature-rise test. The temperature difference from contact element to conductors is very small (≤ 3 K) for standard applications like switchgear. Thus, it is sufficient to use the conductor temperature as a criterion for the design of the continuous ampacity of high-power contact systems. At short-time load, a fast spatially inhomogeneous temperature rise was numerically calculated. Conductor and contact element continuously heat up; due to the smaller current carrying cross section, median final temperature rise in the contact element is one order of magnitude larger than in the conductors. Because of their negligible thermal capacity, contacts perform 100 Hz temperature cycles at 50 Hz AC load; the maximum contact temperatures may be significantly higher than the median temperature of the contact elements. In the long-term test, after 16 000 h operating time at 180 °C and regular plugging operations, contact elements maintained enough joint force to meet the requirements of a new contact system. At 105 °C however, a thermally instable grease led to electrical failure of part of the connectors.

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.

Sur les différents calculateurs du véhicule, de plus en plus d'organes sont commandés par un interrupteur en silicium (circuit MOSFET) au lieu d'un relais. En plus de la fonction de commutation de puissance, le MOSFET peut comprendre un dispositif de mesure du courant afin de contrôler le pilotage de l'organe et/ou assurer une fonction de diagnostic. On appelle ce type de composant un commutateur intelligent de puissance ou Smart Switch. Il est aussi prévu dans le Smart Switch un dispositif de coupure du courant, en cas d'échauffement interne dû à une surintensité électrique. Avec les dernières avancées technologiques, ces composants peuvent aussi intégrer de la logique de pilotage et une interface de liaison numérique avec un microprocesseur. Cette dernière caractéristique motive lesujet de l'étude afin de définir des lois de protection améliorées contre les échauffements dus à une surintensité électrique.En effet, d’un point de vue de la protection électrique, le MOSFET a été conçu pour obtenir les mêmes caractéristiques qu’un fusible, avec la possibilité supplémentaire d’être réenclenché comme un disjoncteur. Le but est d’étudier les lois de pilotage qui pourraient permettre de mieux suivre les limites thermiques d’un conducteur électrique, en particulier dans les faibles surintensités, de façon à pouvoir diminuer le diamètre (donc le coût) des fils tout en assurant une meilleure protection face aux courts circuits impédants (courts-circuits sur une résistance un peu inférieure à la résistance nominale ducircuit, dans un rapport entre 1 et 3 par exemple). / On various vehicles Electronic Control Unit (ECU), more and more members are controlled bya MOSFET circuits instead of a relay. In addition to the power switching function, the MOSFET maymeasure the current to the steering control of the body and / or to ensure that a diagnostic function. Wecall this type of component a smart power switch or Smart Switch. It is also provided in the SmartSwitch device power failure, if the internal heating caused by electrical current. With the latesttechnology, these components can also integrate control logic and an interface for connection to adigital microprocessor. This last characteristic motivates the subject of study in order to defineimproved protection laws against overheating caused by an electrical current.Indeed, from the point of view of electrical protection, the MOSFET has been designed toachieve the same characteristics as a fuse, with the additional possibility to be reset as a circuit breaker.The aim is to study the control laws that could lead to better monitor the thermal limits of an electricalconductor, especially in low current, so as to reduce the diameter (hence the cost) of son while ensuringbetter protection against short-circuit-impedance (short circuit resistance of a little less than thenominal resistance of the circuit, in a ratio between 1 and 3 for example).

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-05-07T20:16:46Z No. of bitstreams: 1 ANTONIO ISAAC LUNA DE LACERDA – TESE (PPGEE) 2016.pdf: 20857733 bytes, checksum: 28767af2f770d3e0a8b3544e02207602 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-07T20:16:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANTONIO ISAAC LUNA DE LACERDA – TESE (PPGEE) 2016.pdf: 20857733 bytes, checksum: 28767af2f770d3e0a8b3544e02207602 (MD5) Previous issue date: 2016-04-29 / A cont abilidade do equipamento de acionamento estático é extremamente importante do ponto de vista e ficiência energética. A detecção da falha é necessária para preservar o desempenho do conversor por um maior tempo possível. Este trabalho investiga a capacidade de tolerância a falhas do inversor e retifi cador ANPC (Active Neutral Point Clamped ) de três níveis modi ficado, quando suas chaves são submetidas a falhas de circuito aberto e curto circuito. Com o objetivo de melhorar o comportamento do conversor quando da falha de uma chave, foram introduzidos tiristores adicionais, um para cada chave do braço do inversor, e fusíveis em série com as chaves de grampeamento. São apresentados métodos para detecção e identi ficação de falhas juntamente com esquemas de reconfi gurações para trinta tipos de falhas. Resultados de simulação e experimentais corroboram os estudo teóricos de operação dos conversores. Os resultados de simulação são obtidos a partir do software PSIM, enquanto os resultados experimentais são obtidos a partir de uma plataforma de desenvolvimento experimental controlado pelo processador digital de sinais TMS320F28335. / The power electronics equipment reliability is a very important aspect from the energy e -ciency point of view. So, fault detection and its compensation, becomes extremely necessary for maintaining the process under fault condition near normal operation for a period of time as long as possible. This work investigates the fault-tolerant capacity of a modi ed three-level ANPC (Active Neutral Point Clamped) inverter and recti er when its switches are submitted to open and short-circuit failures. Additional thyristors, one for each inverter main switch, and fuses in series with the clamping switches have been introduced in order to improve the converter behavior when a switch fails. Fault detection and identi cation methods are presented together with con gured schemes for thirty types of failures. Simulation and experimental results are presented in order to con rm the validity of the proposed solutions, the simulation results are obtained from the software PSIM, whereas the experimental results are obtained from one experimental development platform controlled by a digital signal processor TMS320F28335.

Power transformers are quite costly and essential to provide reliable electrical power system operation. Besides their maintenance or substitution costs, transformer failures must be taken into account, since its will have a large impact on the utility financial health due to the temporary loss of power delivery capability. Concerning transformer failure statistics, investigations carried out in many utilities in the world reveal that the effect of electromechanical stress caused by short-circuit currents is a relevant cause of failure in such equipment and they cause onerous financial damage. Failures caused by mechanical stress due to external short-circuit and due to inrush currents are an important aspect to be considered. The excessive strength caused in transformer conductors/windings due to electromagnetic forces can reduce the transformer lifetime or even cause irreversible damages of them. Therefore, the investigation of the harmful effects caused by transient phenomena becomes imperative. With this in mind, this work aims at investigating the electromagnetic forces and mechanical stresses due to external short-circuit and inrush currents inside the transformer. The studies are carried out using a time domain transformer model based on magnetomotive forces and magnetic reluctances, which allows simulating the transformer transient and steady state behavior regarding the electric, magnetic and mechanical aspects. The methodology is applied in two transformer models operating under rated and short-circuit conditions. Due to the lack of mechanical stress experimental values, a comparative performance analysis is obtained by comparing the simulated results and the well accepted results from finite element program. The results obtained from simulations are evaluated through of the impacts provoked in the variables used to analyze the mechanical stresses which occur in the transformers due to short-circuit and inrush currents. From the mechanical stress calculated it is presented a methodology that establishes a correlation between the phenomena here investigated and the impact in the transformer lifetime. This can assist, previously, in the reduction of the number of unexpected failures and, consequently, in financial damages. / Transformadores de potência são dispositivos fundamentais para a operação de sistemas de potência e têm um peso significativo no custo total de uma instalação. Além dos custos de manutenção e substituição, as falhas nos transformadores devem ser levadas em consideração, no sentido de manter tanto a continuidade do fornecimento de energia como os padrões mínimos de qualidade estabelecidos para o insumo energia elétrico, aliado ao equilíbrio financeiro das empresas. Estudos realizados por concessionárias de diversos países deixam evidentes os enormes prejuízos financeiros das empresas do setor elétrico, devido às falhas mecânicas em transformadores. Defeitos provocados pelos esforços mecânicos decorrentes de correntes de curtos-circuitos passantes e correntes de inrush se constituem como importantes causadores de falhas em transformadores. Os esforços adicionais causados nos condutores/bobinas de transformadores, devido ao acréscimo das forças eletromagnéticas resultantes, podem, em alguns casos, vir a reduzir a vida útil de transformadores ou até mesmo provocar a sua perda total. A investigação dos efeitos danosos causados pelos fenômenos mencionados, portanto, torna-se imperativa. Nessa perspectiva, a presente tese tem por objetivo investigar as forças eletromagnéticas e o estresse mecânico resultantes de cor- rentes de curtos-circuitos passantes e correntes de energização que se estabelecem no interior de transformadores. Para alcançar tal propósito, é empregada uma modelagem computacional no domínio do tempo baseada em forças magnetomotrizes e relutâncias magnéticas. Este modelo permite simulações de fenômenos de regime transitório e per- manente, além de possibilitar o acesso às grandezas elétricas, magnéticas e mecânicas. A metodologia é aplicada a dois modelos de transformadores operando em condições nominais e em curto-circuito. Devido às dificuldades de se encontrar publicações que contenham valores de referência para validar a metodologia proposta, os resultados são comparados aos correspondentes obtidos de um tradicional e bem aceito pacote do Método dos Elementos Finitos. Os resultados oriundos das simulações são avaliados em termos do grau de impacto que é provocado nas grandezas utilizadas para aferir os esforços mecânicos a que fica submetido um transformador, quando de sua energização ou na ocorrência de curtos-circuitos passantes. A partir dos esforços mecânicos determinados é apresentada uma proposta de metodologia que estabelece uma correlação entre os fenômenos aqui estudados e o impacto sobre a vida útil de transformadores, que pode auxiliar, de maneira preditiva, na redução do número de falhas inesperadas e, em conseqüência, nos prejuízos financeiros decorrentes. / Doutor em Ciências