This thesis is submitted for the degree of Doctor of Engineering in Environmental Technology. The degree is awarded for industrially relevant research, based in industry, and supported by a programme of development courses. This project aims to contribute to a reduction in the environmental burdens of vertical transportation systems. The author has carried out an environmental assessment showing that the dominating environmental burdens of vertical transportation systems arise from their use of electricity while in operation in buildings. An assessment of traffic demand has concluded that we are probably over-sizing lifts, and are therefore installing systems that consume more energy than necessary. Traffic planning techniques for single and double deck lifts have been reviewed and developed. The kinematics (motion) of lifts has been studied. New formulae have been derived that allow us to plot travel profiles for any input of journey distance, maximum velocity, maximum acceleration and maximum jerk. Taking these journey profiles as inputs, a mathematical model of a DC Static Converter Drive has been developed. The model can be used to calculate the energy consumption of any individual lift trip. A lift simulation program has been developed. The program uses the research in traffic, kinematics and motor modelling as a basis for developing energy saving lift control strategies.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-19T19:42:59Z No. of bitstreams: 1 danielsalomaosilva.pdf: 1815639 bytes, checksum: 1ac9991f1cfff85fc90c22c80f5ccaf4 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-20T13:12:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 danielsalomaosilva.pdf: 1815639 bytes, checksum: 1ac9991f1cfff85fc90c22c80f5ccaf4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-20T13:12:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 danielsalomaosilva.pdf: 1815639 bytes, checksum: 1ac9991f1cfff85fc90c22c80f5ccaf4 (MD5) Previous issue date: 2011-09-01 / O Compensador Série Síncrono Estático (SSSC – Static Synchronous Series Compensator) é um controlador FACTS (Flexible AC Transmission Systems) proposto na literatura para controlar o fluxo de potência pelas linhas de transmissão a corrente alternada. O SSSC é um compensador de potência reativa baseado em conversores eletrônicos de potência de alta capacidade ligados em série com as linhas de transmissão. Neste trabalho são utilizados conversores fonte de tensão (do inglês, VSC – Voltage Source Converters) multiníveis em cascata assimétrica, ligados ao sistema elétrico sem transformadores. O uso do SSSC aumenta as margens de estabilidade, a controlabilidade e a capacidade de transferência de potência de um sistema elétrico. Como a tensão sintetizada pelo SSSC está em quadratura com a corrente pela linha, pode-se utilizá-lo para emular uma reatância série, impor uma tensão ou injetar/absorver potência reativa em série com a linha de transmissão compensada. Neste trabalho são estudados cinco diferentes algoritmos para controlar as tensões geradas pelo SSSC. Resultados de simulações digitais são utilizados para verificar o desempenho de cada algoritmo implementado. / The Static Synchronous Series Compensator (SSSC) is a FACTS (Flexible AC Transmission Systems) controller proposed in the literature to control the power flow through the transmission power lines. The SSSC is a series connected compensator based on static power electronics converters. In this work, three single-phase asymmetrical cascaded multilevel voltage source converters (VSC) are used, connected to the electric power system without transformers. The use of SSSC increases the stability limit, the controllability and the transfer power capacity of electric power systems. Since the voltage synthesized by SSSC is in quadrature with line current, it can be used to emulate a series reactance, to synthesize a voltage or to inject/absorb reactive power in series with the compensated transmission line. Five different control algorithms are investigated to control the output voltages of the SSSC. Digital simulation results are used to demonstrate the effectiveness of each control strategy.

[pt] Os sistemas de potência são projetados para operar com rígidos requisitos de qualidade, de modo que, as usinas hidrelétricas devem gerar energia, mantendo tensão e freqüência elétrica constantes. No método clássico de geração, a freqüência é controlada pelo sistema regulador de velocidade de turbina, que tende a manter a rotação da turbina fixa na velocidade síncrona. Como durante a operação da usina, as condições físicas como, por exemplo, altura de queda e vazão, não reproduzem as de projeto durante todo o tempo, o ponto de operação da turbina pode afastar-se da região de máxima eficiência por longos períodos, reduzindo seu rendimento total. Este trabalho aborda a utilização da máquina de dupla alimentação com conversor estático em seu rotórico para geração hidrelétrica em regime de velocidade ajustável, com desacoplamento entre a velocidade da turbina e a freqüência do sistema, apresentando os benefícios obtidos através do uso desta tecnologia. / [en] Power systems are designed to operate under strong quality requirements, so that hydroelectric plants have to produce energy with constant voltage and frequency. According to classical generation schemes, frequency is controlled by the speed governors, which tend to maintain the turbine rotating speed fixed at a synchronous speed. During the plant life the basic variables, such as water head and flow, are not the same as those assumed for the design, the turbine s operating point can go out of the region for maximal efficiency for long periods of time, decreasing than the plant total efficiency. This dissertation brings up the use of a double-fed machine with a static converter connected to the rotor s circuit for adjustable speed generation, with the decoupling of the turbine speed and the system frequency. This work does also show the improvements of the use of this technology.

Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane / This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane

Dans le cadre du dimensionnement des systèmes de conversion statique d’énergie implantés dans des réseaux électriques, il est important de respecter certaines normes harmoniques. Pour caractériser celles-ci, on doit utiliser des approches des modélisations fréquentielles : soit numérique, soit semi-analytique. La deuxième est préférable pour à une procédure de dimensionnement par optimisation de système, qui requiert un modèle rapide et peut accepter beaucoup de contraintes. Cependant, la difficulté principale apparaît lors de la modélisation analytique des structures d’électronique de puissance, notamment celles ayant de la commutation naturelle.Cette thèse propose une approche de modélisation semi-analytique où la résolution des équations implicites est faite par Newton-Raphson ou SQP. Cependant, cette approche pose des difficultés de convergence de la méthode utilisée du point de vue numérique et du point de vue du mode de fonctionnement du convertisseur statique. Ainsi, cette thèse propose différentes alternatives pour les résoudre.En terme d’illustrations, cette thèse s’appuie particulièrement sur des applications avec des redresseurs à diodes qui sont largement utilisés dans les sous-stations de réseaux ferroviaires ou dans les réseaux d’avion,Notamment, un canal de puissance typique d’un Airbus de « nouvelle génération » sert d’application du point de vue de dimensionnement par optimisation. / For the design of static energy conversion systems from power grids, harmonic standards have to berespected. To characterize them, frequency modeling approaches, either numerical or semi-analytical. Thesecond one is more advisable for the sizing by optimization of systems, where a fast model is required and manyconstraints have to be carried out. However, the main difficulties happen in the analytical modeling of powerelectronics structures, especially those with soft commutations.This thesis proposes a semi-analytical modeling approach where the solving of implicit equations iscarried out by Newton-Raphson or SQP. The convergence difficulties are analyzed in two viewpoints:numerically and according the operating mode of the static converters. Then, alternatives are proposed to solvethem.To illustrate the problematic, applications with diode rectifiers (widely used in railway electrical gridsubstations or airline electrical grid) are used. Especially, the sizing of power channel of « new generation» of anAirbus, is made by optimization, using the proposed modelling approach.

Cette thèse porte sur le développement d'une structure d'alimentation sans transformateur pour des décharges à barrière diélectrique (DBD). Une DBD est une charge permettant d'obtenir des plasmas froids à la pression atmosphérique. Ce dispositif est fortement capacitif et son alimentation doit délivrer plusieurs kilovolts pour allumer et entretenir la décharge. Cette haute tension est classiquement obtenue à l'aide d'un transformateur élévateur. Dans une première partie, nous montrons que les éléments parasites du transformateur impactent fortement le transfert d'énergie vers la décharge. C'est pourquoi dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle topologie d'alimentation sans transformateur élévateur. Les caractéristiques fondamentales et le dimensionnement de notre alimentation sont obtenus par une analyse théorique. Dans cette topologie, les interrupteurs sont directement connectés à la DBD ; ils doivent donc supporter des tensions de plusieurs kilovolts. Il y a encore quelques années, il n'existait pas de semi-conducteur capable de supporter ce niveau de tension, à moins d'utiliser des interrupteurs fonctionnant à très basse fréquence. De récents progrès sur les matériaux semi-conducteurs ont permis d'élaborer des transistors et des diodes à base de carbure de silicium (SiC) capables de supporter des tensions allant jusqu'à 10 kV. Ce niveau de tension est tout à fait compatible avec la topologie d'alimentation proposée ici.Nous consacrerons la troisième partie du manuscrit à la mise en œuvre de notre convertisseur. Ce dernier, conçu à base de semi-conducteurs SiC, est fonctionnel et permet d'allumer une décharge. Cependant le fonctionnement initialement prévu est fortement affecté par la présence des capacités parasites notamment celles des interrupteurs. Nous détaillerons le rôle de chacune d'entre elles. Nous proposerons enfin des solutions permettant d'améliorer le transfert de puissance : mise en série de semi-conducteurs basses tensions, utilisation sur DBD de forte puissance... / This thesis focuses on the development of a dielectric barrier discharge (DBD) transformerless power supply. A DBD can produce cold plasma at atmospheric pressure. This device is a capacitive load, which must be supplied by a high voltage alternative source. This high voltage is classically obtained by amplifying a low level voltage with a step up transformer. In the first part, we show that the parasitic elements of the transformer limit the power transfer to the DBD load. This is why, in a second part, we propose a new topology without step-up transformer. A theoretical study of the converter allows to size our power supply and to deduce the fundamental characteristics of the latter. In our topology, the power switches are directly connected to the high voltage. A few years ago, it was inconceivable to connect directly a transistor to a high level of voltage (5kV), unless using very low frequency switches. Recent progress on semiconductor devices led to the development of transistors and diodes based on silicon carbide (SiC), which are able to hold up to 10kV. This voltage level is compatible with our topology.In the third part, we focus on the realization of our transformerless power supply and its operation. Our power supply based on 10 kV SiC semiconductors can ignite the discharge; however the parasitic capacitance and particularly those of the switches affect the power transfer. The role of each one of them is analyzed in detail.In the last part we propose solutions to improve the power delivered by this supply: series connection of lower voltage switches, supplying a high power DBD...

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.