The work focuses on outlet of the electrical power from power plants operating in urban areas. After a short analysis of the general possibility of leading out electric power from power plants of various types, thesis continues to describe of outlet electrical power from PPC Červený Mlýn. Subsequently, are calculated short-circuit conditions in the main switching station. It follows an analysis of power lines. The last part dealt with the issue of reliability of sources in connection with random transition processes in the electrical network and the light of the operational reliability of electrical power equipment.

Master’s thesis deals with computation of steady state and short-circuit conditions in the 110 kV distribution network in the nodal area of Čebín. Computations are done during independent operation and bridge operation of transformers T401, T402 in transformation station Čebín with proposed configuration of network. Additional computations of steady state during specific operating conditions such as (T401 outage, disconnection of line 5553) were done during network operation in bridge operation of T401, T402. Voltage conditions in substations, load of 110kV lines and 400/110 kV, 110/HV kV transformers are evaluated based on the computations of steady state. Short-circuit resistance of substations is being evaluated with the aid of calculations of short-circuit conditions. There is a comparison and processed results of computations during independent operation, bridge operation, special operational states and proposed technical measures of operation in bridge operation in the end of the thesis. Theoretical part of the master’s thesis deals with the description of 110 kV distribution networks, theory of calculation of the steady state of electric system with the aid of Newton iterative method a calculation of single-phase and three-phase short-circuit current with the aid of method of symmetrical components.

L’avènement des aimants permanents et les progrès récents dans l’électronique de puissance ont joué un rôle majeur dans l’évolution de la motorisation électrique des véhicules. Actuellement, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) grâce à leurs performances, et surtout leur efficacité énergétique, sont considérées comme les candidats idéaux pour les chaînes de traction des véhicules hybrides et électriques. Toutefois, en raison du vieillissement des matériaux, des défauts de fabrication ou des conditions de fonctionnement assez sévères, différents types de défauts sont capables de survenir dans les composants de la machine, ses organes de commande ou de mesure. Pour répondre aux exigences de sûreté, de fiabilité et de disponibilité, l’intégration d’une approche de surveillance et de diagnostic de défauts, dans le groupe motopropulseur électrique automobile, devient de plus en plus primordiale. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de contribuer au diagnostic et à la caractérisation de défauts dans la MSAP par une analyse vibratoire. En premier temps, des approches analytiques de modélisation de la MSAP et des défauts : de court-circuit inter-spires, d’excentricité et de démagnétisation rotoriques serontproposées. L’intérêt majeur de tels modèles, dans le cadre du diagnostic, est d’étudier le comportement de la machine en présence de défauts étudiés afin d’en déduire les méthodes de détection les plus adaptées. En outre, des modèles numériques seront développés afin de les confronter aux parties magnétique et mécanique analytiques de la machine ainsi qu’au défaut de démagnétisation. Dans la phase d’analyse des impacts de défauts, nous allons nous focaliser sur les cas d’excentricité et de démagnétisation rotoriques. Les indicateurs de défauts seront extraits des représentations du signal vibratoire dans le temps et l’espace et de leurs transformées de Fourier, pour les cas de défauts simples et les cas de deux défauts combinés. Pour les cas simples, deux approches de localisation seront proposées : la première utilise le principe de tests statistiques et de tables de signatures, inspirée des méthodes de diagnostic à base de modèles, alors que la deuxième repose sur un banc de trois réseaux de neurones, où chacun est à une entrée et une sortie et destiné à localiser un type de défaut. Enfin, les performances des deux approches, en termes de robustesse et d’adaptabilité, seront comparées pour les mêmes ensembles de seuillage/d’apprentissage et de test. / The advent of new magnetic materials and recent advances in power electronics have played a major role in the progress of hybrid electric vehicles. Nowadays, permanent magnet synchronous machines (PMSM) thanks to their performances, especially their energy efficiency, are considered as ideal candidates for the traction chains of hybrid and electric vehicles. However, due to material aging, manufacturing defects or severe operating conditions, different types of faults are capable to occur in the machine components, its control or measuring devices. In order to ensure safety, reliability and availability, the integration of a fault diagnosis and condition monitoring approach in the automotive electrical powertrain system is becoming more and more important. In this context, the aim of the thesis is to contribute to the diagnosis and characterization of faults in the PMSM based on a vibration analysis. First, analytical modeling approaches for the PMSM and inter-turn short-circuits, eccentricity and rotor demagnetization faults will be proposed. The major interest of such models, in a diagnosis context, is to study the behavior of the machine in the presence of studied faults in order to deduce the most suitable detection methods. In addition, numerical models will be developed in order to validate the analytical magnetic and mechanical parts of the machine as well as the demagnetization fault. In the phase of fault impact analysis, we will focus on the cases of rotor eccentricity and demagnetization. The fault indicators will be extracted from the vibratory signal representations in time and space domains and their Fourier transforms, in the cases of single faults and the cases of two combined faults. For single fault cases, two diagnosis approaches will be proposed: the first uses the principle of statistical tests and fault signature tables, inspired by model-based diagnosis methods, while the second relies on a set of three neural networks, such as each one is with a single input and a single output and dedicated to isolate one type of fault. Finally, the performance of these two approaches, in terms of robustness and adaptability, will be compared for the same training and test sets.

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l’effet du vieillissement par fatigue électrothermique sur la compatibilité électromagnétique des composants de puissance à base de carbure de silicium. Il est axé sur deux grandes parties ; une partie expérimentale et une autre plus orientée modélisation. Sur le plan expérimental, cette thèse étudie l’effet du vieillissement des transistors à base de carbure de silicium utilisés dans les convertisseurs statiques sur les perturbations électromagnétiques générées par ces convertisseurs. La deuxième partie porte sur la modélisation de ces transistors afin d’émuler l’effet de leur vieillissement sur les perturbations électromagnétiques des modules qu’ils composent. Cette dernière étape repose sur une étude de l’évolution des caractéristiques électriques statiques et dynamiques effectuées sur le composant sous test pour extraire les principaux paramètres intrinsèques du transistor de puissance dégradé après les séries de stress appliquées. En effet, ces paramètres intrinsèques dégradés émulent l’effet du vieillissement et sont représentatifs des principaux phénomènes pouvant influencer les convertisseurs de puissance étudiés. De ce fait, le changement de leurs valeurs dans le modèle du dit composant, décrit en VHDL-AMS et implémenté sur le simulateur de type circuit ANSYS SIMLORER, nous permet d’obtenir un modèle d’un tel composant après vieillissement. Cette étape a permis de valider la méthodologie développée pour la simulation des perturbations électromagnétiques conduites d’un composant sain dans un premier temps et d’un composant vieilli dans un second. Globalement, cette approche de modélisation innovante développée dans ce travail permet d’aider les concepteurs des convertisseurs statiques à prédire les perturbations électromagnétiques conduites avant et après vieillissement sans passer par la mesure et ses points faibles. Ceci apporte des informations complémentaires sur l’évolution des signatures CEM de tels modules durant sa durée de vie et d’estimer donc le risque lié au vieillissement des composants. / This research work focuses on the electrothermal aging effect on the electromagnetic compatibility of power components based on silicon carbide SiC. It focuses on two major parts ; an experimental part and another more oriented modelization. Experimentally, this thesis studies the aging effect of SiC transistors used in static converters on the electromagnetic interferences EMI generated by these converters. The second part deals with the modeling of these transistors in order to emulate the effect of their aging on the EMI of the modules they compose. This step made it possible to validate the methodology developed for the simulation of the conducted EMI of a healthy SiC MOFSET at first and of an aged SiC MOSFET in a second time. Overall, this innovative modeling approach developed in this work helps the designers of static converters to predict the conducted EMI before and after aging without going through the measurement. This provides additional information on the evolution of the EMC signatures of such modules during its lifetime and thus to estimate the risk associated with the aging of the components.

L’objectif de ce travail est d’élaborer un modèle performant/précis de la machine électrique permettant de proposer une technique de pronostic. Dans cette thèse, nous commençons par un état de l’art sur les véhicules électriques hybrides (VHE), les différents types de machines électriques utilisées dans les VHE ainsi que les différents types de défauts pouvant survenir dans ces machines électriques. Nous identifions également les indicateurs de défauts appropriés aux différents défauts considérés. Ensuite, une synthèse de techniques de pronostic pouvant être appliquées est proposée. Le modèle à éléments finis électromagnétiques, thermiques et vibratoires (FEM) de la machine à aimants permanents est présenté. Le modèle est élaboré en fonctionnement normal et défaillant. Les types de défauts considérés sont : démagnétisation, court-circuit et excentricité. Une comparaison entre les deux approches analytique et FEM (méthode numérique) pour la modélisation de machines électromagnétiques est effectuée. Les indicateurs de défauts analysés pour l’extraction les plus pertinents utilisent les différents signaux mesurées suivants : le couple, la température ainsi que les signaux vibratoires en états sains et défectueux. L’approche de pronostic adoptée qui est le modèle de Markov caché (HMM) est développée. L'aspect technique de la méthode est présenté et le module du pronostic est formulé. La méthode de HMM est utilisée pour détecter et localiser les défauts à petites amplitudes. Une stratégie systématique a été développée. Le vieillissement de l’équipement de la machine, en particulier des éléments sensibles comme la bobine de stator et l’aimant permanent, est une question très importante pour le calcul du RUL (Remaining Useful Life). Une stratégie d’estimation pour le calcul RUL est présentée et discutée. La configuration en boucle fermée est très importante. Elle est adoptée par tous les systèmes de véhicules disponibles. Par conséquent, les mêmes étapes mentionnées précédemment s'appliquent également à une configuration en boucle fermée. Un modèle global où l’entrée du FEM de la machine provient de l’onduleur modélisé est élaboré. / The core of the work is to build an accurate model of the electrical machine where the prognostic technique is applied. In this thesis we started by a literature review on hybrid electric vehicles (HEV), the different types of electrical machine used in HEV’s and the different types of faults that may occur in those electrical machine. We also identify the useful monitoring parameters that are beneficial for those different types of faults. Then, a survey is presented where all the prognostic techniques that can be applied on this application are enumerated. The electromagnetic, thermal and vibration finite element model (FEM) of the permanent magnet machine is presented. The model is built at healthy operation and when a fault is integrated. The considered types of faults are:demagnetization, turn to turn short circuit and eccentricity. A confrontation between analytical and FEM (numerical method) for electromagnetic machine modeling is illustrated. Fault indicators where useful measured parameters forfault identification are recognized and useful features from the measured parameters are extracted; torque, temperature and vibration signal are elaborated for healthy and faulty states. The strategy of the adopted prognostic approach which is Hidden Markov Model (HMM) is explained. The technical aspect of the method is presented and the prognostic model is formulated. HMM is applied to detect and localize small scale fault small scale faults were where a systematic strategy is developed. The aging of the machine’s equipment,specially the sensitive ones that are the stator coil’s and the permanent magnet, is a very important matter for RUL calculation. An estimation strategy for RUL calculation is presented and discussed for those mentioned machine’s components. Closed loop configuration is very important; it is adopted by all available vehicle systems. Hence, the same previously mentioned steps are applied for a closed loop configuration too. A global model where the input of the machine’s FEM comes from the modeled inverter is built.

This work presents different novel gate drive unit (GDU) concepts for IGBT and reverse conducting IGBT (RC-IGBT). They have been experimentally tested with medium voltage class IGBT modules (1200...1700V/650…1400A) and a RC-IGBT module (1200V/200A). The switching behaviour of the RC-IGBT was investigated, and a new trigger pulse pattern to drive the RC-IGBT was developed, designed and implemented. The experimental results showed that the switching losses were reduced by 20% in the RC-IGBT compared to the switching losses of a standard diode. Two novel schemes are introduced to estimate the collector current through the IGBT, based on the measurement of the voltage across the internal stray inductance of the IGBT module. Furthermore, a GDU concept was derived to balance the on-state collector currents of parallel-connected IGBTs, reducing the current imbalance to 5%. Also, a new fast short circuit protection method (FSCP) for IGBT modules was developed, designed and implemented in another GDU, allowing turning-off the considered IGBT in less than 1μs, reducing the IGBT stress. Another scheme implemented in a GDU features an improved gate current switching profile of the IGBT, which reduces the switching losses by 25% compared to the standard switching method. In order to reduce the conduction losses, a GDU with an increased turn-on gate-emitter voltage (larger than 20 V) was investigated. In the investigated IGBT, the on-state losses were reduced by 18% when a gate-emitter voltage of 35V is used compared to when a gate-emitter voltage of 15V is used. All these new GDU concepts have been implemented with a simple and inexpensive electronic circuitry, which is an important feature for a possible industrial implementation.

Parallellgående kraftledningar inducerar spänning i varandra som i sin tur driver en ström. I denna rapport utreds hur osymmetriska kortslut-ningar på en kraftledning påverkar strömmen i en parallellgående kraft-ledning på grund av ömsesidig induktion och vilka faror inducerad spän-ning och den av inducerade spänningen drivna strömmen kan leda till, ur hänsyn till leveranssäkerhet samt underhållsarbetare på parallell kraft-ledning.Målet med examensarbetet är att öka noggrannheten för felströmsberäk-ningar på Vattenfalls elnät samt att öka kunskapen för vattenfallpersonal om fenomenet av ömsesidig koppling och de faror den kan innebära.Rapporten kunde konstatera att ömsesidig koppling kan leda till faror för leveranssäkerheten av elnätet och att det finns ett behov av analys av specifika fall av parallella kraftledningar i Vattenfalls elnät. / Parallel overhead power lines induce voltage in one another, which in turn drives a current. In this report an investigation is made in how asymmetrical short circuits on an overhead power line influence the cur-rent in a parallel overhead power lines due to the inductive coupling be-tween the power lines and which hazards it can cause for the electrical delivery dependability as well as high voltage workers.The aim with this bachelor thesis is to increase the accuracy in fault cur-rent calculation in the Vattenfall electricity grid as well as to increase the knowledge within Vattenfall of the phenomena of inductive coupling and the hazards which comes with it.The report could ascertain that inductive coupling can lead to danger for electrical delivery dependability and that there exists a need of analysis on specific parallel overhead power lines within the Vattenfall electricity grid.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Carbon nanotubes (CNTs) are one of the most common nanoparticles (NP) found in workplace air. Therefore, there is a strong chance that these NP will enter the human body. They have similar physical properties to asbestos, a known toxic material, yet there is limited evidence showing that CNTs may be hazardous to human barrier epithelia. In previous studies done in our laboratory, the effects of CNTs on the barrier function in the human airway epithelial cell line (Calu-3) were measured. Measurements were done using electrophysiology, a technique which measures both transepithelial electrical resistance (TEER), a measure of monolayer integrity, and short circuit current (SCC) which is a measure of vectorial ion transport across the cell monolayer. The research findings showed that select physiologically relevant concentrations of long single-wall (SW) and multi-wall (MW) CNTs significantly decreased the stimulated SCC of the Calu-3 cells compared to untreated cultures. Calu-3 cells showed decreases in TEER when incubated for 48 hours (h) with concentrations of MWCNT ranging from 4µg/cm2 to 0.4ng/cm2 and SWCNT ranging from 4µg/cm2 to 0.04ng/cm2. The impaired cellular function, despite sustained cell viability, led us to investigate the mechanism by which the CNTs were affecting the cell membrane. We investigated the interaction of short MWCNTs with model lipid membranes using an ion channel amplifier, Planar Bilayer Workstation. Membranes were synthesized using neutral diphytanoylphosphatidylcholine (DPhPC) and negatively charged diphytanoylphosphatidylserine (DPhPS) lipids. Gramicidin A (GA), an ion channel reporter protein, was used to measure changes in ion channel conductance due to CNT exposures. Synthetic membranes exposed to CNTs allowed bursts of currents to cross the membrane when they were added to the membrane buffer system. When added to the membrane in the presence of GA, they distorted channel formation and reduced membrane stability.

Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.