Dans le contexte écologique actuel, les équipementiers automobiles européens sont dans l’obligation de développer des systèmes innovants afin de réduire les rejets de gaz à effet de serre des véhicules. Les nouvelles applications électroniques micro-hybrides exigent le développement de stratégies quant à l’intégration des systèmes et la réduction des pertes. Ainsi, une proposition a consisté à réaliser des modules de puissance constitués de transistors MOSFETs basse tension fort courant. L’application de type alterno-démarreur plus communément nommée « Stop & Start »exige des composants toujours plus robustes et fiables du fait de la sollicitation en mode d’avalanche sous des températures pouvant atteindre 175°C.Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent donc sur l’aspect d’optimisation de la robustesse et de la fiabilité des composants. Tout d’abord, il était essentiel de comprendre l’avalanche et ses enjeux pour la technologie. Ensuite dans ce contexte, le procédé notamment autour de l’oxyde de grille a été amélioré afin de garantir la tenue en mode de sollicitation grille-source et grille-drain pour satisfaire les exigences de fiabilité. En outre, le développement d’un test innovant de la puce, dérivé du QBD, a permis d’évaluer précisément les modifications apportées sur le procédé de fabrication et d’être corrélé avec les résultats des essais de fiabilité. Enfin, le cycle de vie d’un MOSFET nécessite un suivi qualité précis qui se compose de deux aspects essentiels. En premier lieu, le suivi des paramètres électriques et de leur dérive par une analyse statistique « postprocessing». En second lieu, la mise en place d’un outil de traçabilité du module à la puce pour traquer les éventuels rejets dans l’application finale et remonter à la cause d’origine. Toutes les innovations présentées, dans ce mémoire, s’inscrivent dans une démarche novatrice de l’amélioration continue de la qualité des composants de type MOSFET de puissance / In the current ecologic context, the European automotive suppliers have to develop innovating systems inorder to reduce greenhouse gas rejects produce by vehicles. The new mild-hybrid electronic applications require the development of new strategies due to their integration and the reduction of power losses.Thereby, a proposition consisted in creating power modules constituted by MOSFETs characterized by alow blocking voltage under high current. The starter alternator reversible application also named “Stop &Start” requires robust and reliable components in order to support a high current solicitation in avalanche mode for temperatures up to 175°C.Research work presented in this thesis concerns the robustness and reliability enhancement of MOSFET components. First of all, the important part is about avalanche mode understanding and their issues. Inthis context, the fabrication process is a main part for quality and reliability requirements. Then, the workis focused on gate oxide process quality in order to hold gate-source and gate-drain stress modes.Moreover, the development of an innovating test at wafer level derivate from QBD test, allowed the precise evaluation of process modification thanks to the correlation with reliability campaign results. Finally, theMOSFET life cycle needs a quality monitoring constituted by two main steps. The first one is the monitoring of electrical parameters in time with a post-processing statistical analysis. The second one is the use of a traceability tool between the power module and the silicon die in order to highlight possible defects in the final starter alternator application, and understand failure root causes. The innovations presented in this thesis are included in the continued improvement approach for MOSFETs quality and robustness enhancement.

Diplomová práce se zabývá dopadem nabíjení elektrických vozidel a bateriových úložišť na schopnost distribučních sítí nízkého napětí absorbovat fotovoltaické systémy. Převážně venkovské, příměstské a převážně městské regiony s různými stupni penetrace nekontrolovaně i kontrolovaně nabíjených elektromobilů jsou analyzovány Monte Carlo simulacemi. Hostingová kapacita je také analyzována, jestliže jsou elektrická vozidla jak nahrazena, tak doplněna domácími bateriovými úložišti. Práce je zakončena krátkou analýzou využitelnosti BESS.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第20778号 / 情博第658号 / 新制||情報||113(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 小野寺 秀俊, 教授 佐藤 高史, 教授 黒橋 禎夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Precipitation of second phase particles is a key factor dominating the mechanical properties of high temperature alloys. In order to control and optimize the precipitation effect it is of great importance to study the role of alloying elements in the formation and stability of precipitates. As a favored family of corrosion and creep resistant austenitic stainless steels the 20Cr-25Ni alloy was modified by addition of copper, molybdenum, nitrogen, niobium and vanadium. A set of alloys with similar matrix but varying contents of niobium, vanadium and nitrogen were prepared. Sample preparation process included melting, hot forging, solution annealing and finally aging for 500 h at 700, 800 and 850 ºC.Light optical and scanning electron microscopy revealed micron-scale precipitates on grain and twin boundaries as well as sub-micron intragranular precipitates in all samples. Characterization of precipitates was carried out by means of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Among micron-scale precipitates M23C6 carbide was the dominant phase at 700 ºC aging temperature; whereas silicon-rich eta phase (M5SiC) was the main precipitate in samples aged at 800 and 850 ºC. A few sigma phase particles were found in one of the niobium containing samples aged at 700 and 800 ºC. Sub-micron intragranular precipitates were analyzed using low voltage EDS. The spatial resolution of EDS microanalysis at 5 kV accelerating voltage was estimated as almost 100 nm which was at least eight times better than that using the ordinary 20 kV voltage. Also, low voltage EDS revealed the presence of light elements (carbon, nitrogen and boron) in the composition of sub-micron particles thanks to the less matrix effect in absorption of low energy X-rays of light elements. In samples aged at 700 ºC niobium-rich and vanadium-rich carbonitrides were found as the dominant precipitates; whereas they contained much less carbon in samples aged at 800 ºC and mostly became carbon-free nitrides with well-defined cuboidal shapes at 850 ºC aging temperature. This showed that niobium/vanadium-rich nitride phases are stable precipitates at aging temperatures above 700 ºC.The drawbacks of low voltage EDS were indicated as high detection limit (no detection of low- content elements), poor accuracy of quantitative analysis and high sensitivity to surface contamination. Some possible ways to improve the accuracy of low voltage EDS, e.g. longer acquisition time were examined and some other suggestions are proposed for future works.

Die Zunahme unsymmetrisch betriebener Kundenanlagen mit hoher Betriebsdauer und -strömen in Niederspannungsnetzen führt neben der stärkeren Belastung der Betriebsmittel und des Spannungsbandes zu einer Erhöhung der Spannungsunsymmetrie. Diese Arbeit untersucht diese Beeinflussungen anhand von Wiederspannungsnetzsimulationen bei verschiedener Durchdringung von Elektrofahrzeugen und Photovoltaikanalgen. Dazu werden anhand von Labor- und Netzmessungen probabilistische Lastmodelle für Haushalte, Photovoltaikanalgen und Elektrofahrzeuge entwickelt, welche die unsymmetrische Betriebsweise über einen Tag berücksichtigen. Die Auswirkungen auf die Spannungsunsymmetrie werden anhand des Verhältnisses zwischen Gegen- zu Mitsystemspannung und die Stromunsymmetrie anhand von unsymmetrischen Leistungsanteilen beschrieben. Neben der Analyse der Auswirkungen der unsymmetrisch betriebenen Kundenanlagen auf die erwähnten Kenngrößen werden mögliche Maßnahmen zur Reduzierung des Einflusses vorgestellt und durch Simulationen geprüft. Anhand der durchgeführten Betrachtungen und Simulationen wird ein Niederspannungsäquivalent abgeleitet. Mit diesem können Profile für die unsymmetrischen Leistungsanteile bestimmt werden, mit denen die Sternpunktbelastung und der Einfluss auf die Unsymmetrie im übergeordneten Netz abgeschätzt werden kann.:1 Einführung 1 1.1 Stand der Technik 1 1.2 Ziel der Arbeit 2 1.3 Struktur der Arbeit 3 2 Grundlagen 4 2.1 Elektroenergiequalität und EMV Koordinierung 4 2.2 Allgemeine Bewertungsgrößen 8 2.2.1 Gleichphasigkeitsindizes 8 2.2.2 Qualitätsreserve 9 2.2.3 Quantil 9 2.3 Betriebsmittelbelastung 10 2.4 Verlustleistung und -energie 10 2.5 Langsame Spannungsänderung 10 2.6 Unsymmetrie-Kenngrößen 13 2.6.1 Spannungsunsymmetrie 16 2.6.2 Stromunsymmetrie 18 2.6.3 Unsymmetrische Leistung 20 3 Einflussfaktoren auf die Unsymmetrie 24 3.1 Übergeordnetes Netz 24 3.2 Transformator 25 3.3 Leitung 27 3.4 Erdung 28 3.5 Kundenanlagen 33 3.5.1 Anschluss der Kundenanlagen 33 3.5.2 Statisches Verhalten hinsichtlich Spannungs- und Frequenzabhängigkeit 34 3.5.3 Analytisches Modell zur vereinfachten Abschätzung der Spannungsunsymmetrie 35 3.6 Zusammenfassende Bewertung der Einflussfaktoren 40 3.7 Maßnahmen zur Reduzierung der Unsymmetrie 41 3.7.1 Verringerung der Gegensystemspannung des übergeordneten Netzes 43 3.7.2 Verringerung der wirksamen Gegen- bzw. Nullsystemimpedanz am Verknüpfungspunkt 43 3.7.3 Verringerung des Gegen- bzw. Nullsystemstroms der anzuschließenden Kundenanlage 43 3.7.4 Erhöhung der unsymmetrischen Lastimpedanz parallel betriebener Anlagen 44 3.7.5 Beeinflussung des Phasenwinkels des Gegen- bzw. Nullsystemstroms 44 3.8 Auswahl des Messorts zur Bestimmung der höchsten Spannungsunsymmetrie 47 4 Simulationskonzept und -modelle 49 4.1 Auswahl an Kundenanlagen 49 4.1.1 Erzeugungsanlagen im Niederspannungsnetz 49 4.1.2 Elektrofahrzeuge 51 4.2 Simulationsablauf 52 4.2.1 Wahl eines Simulationsszenarios und eines Simulationsnetzes 53 4.2.2 Installation von Photovoltaikanlagen und Ladepunkten für Elektrofahrzeuge 54 4.2.3 Festlegung von zu simulierender Zeitdauer und Mittelungsintervall 54 4.2.4 Lastflussberechnung je Zeitschritt 55 4.3 Stochastische Beschreibung der gleichzeitig ladenden Elektrofahrzeuge je Außenleiter – zentrales Laden 55 4.4 Simulationsmodelle - dezentrales Laden 57 4.4.1 Übergeordnetes Netz 57 4.4.2 Betriebsmittel des Niederspannungsnetzes 60 4.4.3 Kundenanlagen 62 5 Simulationsergebnisse 72 5.1 Zentrales Laden 72 5.1.1 Methodik 72 5.1.2 Auslastung der Betriebsmittel 73 5.1.3 Leitungsverluste 73 5.1.4 Unsymmetrischer Leistungsanteil 74 5.1.5 Spannungsunsymmetrie und Spannungsdifferenz 75 5.2 Dezentrales Laden 77 5.2.1 Methodik 77 5.2.2 Auslastung der Betriebsmittel 78 5.2.3 Leitungsverluste 79 5.2.4 Spannungsdifferenz 80 5.2.5 Unsymmetrischer Leistungsanteil 82 5.2.6 Spannungsunsymmetrie 83 5.2.7 Bewertung möglicher Maßnahmen zur Reduzierung der Spannungsunsymmetrie 89 5.2.8 Einfluss unsymmetrischer Koppelimpedanzen auf die Spannungsunsymmetrie 92 5.3 Resümee und Handlungsempfehlungen 94 6 Niederspannungsäquivalent für unsymmetrische Leistungsanteile 97 6.1 Lastgang der unsymmetrischen Leistungsanteile 97 6.2 Geräteklassenabhängiger unsymmetrischer Leistungsanteil 99 6.2.1 Unsymmetrischer Leistungsanteil Haushaltslasten 99 6.2.2 Unsymmetrischer Leistungsanteil Elektrofahrzeuge 99 6.2.3 Unsymmetrische Leistungsanteile PV-Anlagen 103 6.3 Überlagerung der Zeitverläufe 104 6.4 Beispiel 105 7 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 110 Anhang 118

Blue phase liquid crystals (BPLCs) have a delicate lattice structure existing between chiral nematic and isotropic phases, with a stable temperature range of about 2 K. But due to short coherent length, these self-assembled nano-structured BPLCs have a fast response time. In the past three decades, the application of BPLC has been rather limited because of its narrow temperature range. In 2002, Kikuchi et al. developed a polymer stabilization method to extend the blue-phase temperature range to more than 60 K. This opens a new gateway for display and photonic applications. In this dissertation, I investigate the material properties of polymer-stabilized BPLCs. According the Gerber’s model, the Kerr constant of a BPLC is linearly proportional to the dielectric anisotropy of the LC host. Therefore, in the frequency domain, the relaxation of the Kerr constant follows the same trend as the dielectric relaxation of the host LC. I have carried out experiments to validate the theoretical predictions, and proposed a model called extended Cole-Cole model to describe the relaxation of the Kerr constant. On the other hand, because of the linear relationship, the Kerr constant should have the same sign as the dielectric anisotropy of the LC host; that is, a positive or negative Kerr constant results from positive (∆ε > 0) or negative host LCs (∆ε < 0), respectively. BPLCs with a positive Kerr constant have been studied extensively, but there has been no study on negative ∆ε polymer-stabilized BPLCs. Therefore, I have prepared a BPLC mixture using a negative ∆ε LC host and investigated its electro-optic properties. I have demonstrated that indeed the induced birefringence and Kerr constant are of negative sign. Due to the fast response time of BPLCs, color sequential display is made possible without color breakup. By removing the spatial color filters, the optical efficiency and resolution density are both tripled. With other advantages such as alignment free and wide viewing angle, polymer-stabilized BPLC is emerging as a promising candidate for next-generation displays. However, the optical efficiency of the BPLC cell is relatively low and the operating voltage is quite high using conventional in-plane-switching electrodes. I have proposed several device structures for improving the optical efficiency of transmissive BPLC cells. Significant improvement in transmittance is achieved by using enhanced protrusion electrodes, and a 100% transmittance is achievable using complementary enhanced protrusion electrode structure. For a conventional transmissive blue phase LCD, although it has superb performances indoor, when exposed to strong sunlight the displayed images could be washed out, leading to a degraded contrast ratio and readability. To overcome the sunlight readability problem, a common approach is to adaptively boost the backlight intensity, but the tradeoff is in the increased power consumption. Here, I have proposed a transflective blue phase LCD where the backlight is turned on in dark surroundings while ambient light is used to illuminate the displayed images in bright surroundings. Therefore, a good contrast ratio is preserved even for a strong ambient. I have proposed two transflective blue phase LCD structures, both of which have single cell gap, single gamma driving, reasonably wide view angle, low power consumption, and high optical efficiency. Among all the 3D technologies, integral imaging is an attractive approach due to its high efficiency and real image depth. However, the optimum observation distance should be adjusted as the displayed image depth changes. This requires a fast focal length change of an adaptive lens array. BPLC adaptive lenses are a good candidate because of their intrinsic fast response time. I have proposed several BPLC lens structures which are polarization independent and exhibit a parabolic phase profile in addition to fast response time. To meet the low power consumption requirement set by Energy Star, high optical efficiency is among the top lists of next-generation LCDs. In this dissertation, I have demonstrated some new device structures for improving the optical efficiency of a polymerstabilized BPLC transmissive display and proposed sunlight readable transflective blue-phase LCDs by utilizing ambient light to reduce the power consumption. Moreover, we have proposed several blue-phase LC adaptive lenses for high efficiency 3D displays.

Energy security, global warming, and climate change have been a major source of global discussions and development. Likewise, the rising cost of electricity for consumers and exponential demand for energy are major factors driving the incremental growth and integration of sustainable forms of energy generation into power the system cycle. Distributed generation resources are majorly integrated into the electricity distribution system at the medium voltage (MV) and low voltage (LV) level of the utility grid system. Unexpected power outages on an electricity distribution network can lead to an islanding situation, in which a distributed generation system continues to supply power to the electricity grid. It is highly recommended by operational standards that, under such conditions, a distributed generation system is disconnected from the grid within a short period to prevent damage to power equipment and ensure personnel safety. The decoupling process requires an islanding detection method (IDM). Such detection methods are implemented in grid-tied power electronic converters (PEC) to detect and prevent islanding conditions.  The thesis investigates and describes an active islanding detection method, the active frequency drift with positive feedback. It also covers the parameter design and the analysis of the non–detection zone. The effectiveness of the method was verified through MATLAB/SIMULINK simulation

In 2019, 770 million people worldwide lived without electricity. As many as 490 million people could be electrified with 210,000 mini-grids by 2030. Obtaining information for decision-making is crucial to determine the viability of such a project. Currently, it is a major challenge for mini-grid developers to gather this information at the speed and scale necessary to make effective investment choices. Village Data Analytics (VIDA) is a decision-making tool used for mini-grid project planning and site selection. This paper presents a method to estimate the cost of a mini-grid distribution network on a site-by-site basis. This method can estimate the total demand, potential connections, distribution infrastructure components and corresponding costs for each site. The model can make predictions for 50 sites within two hours so the tool is especially useful for preliminary estimates in the planning phase. A more detailed study of the individual sites is recommended. Comparison with a benchmark has shown that on-site conditions often reveal activities that can only be captured by a survey. However, collecting on-site data is time-consuming and costly. Therefore, GIS and modelling tools can serve as a good approximation of the on-ground reality and are relevant to accelerate planning and support timely decision-making. / 2019 levde 770 miljoner människor världen över utan elektricitet. Så många som 490 miljoner människor skulle kunna elektrifieras med 210 000 mininät till 2030. Att få information för beslutsfattande är avgörande för att avgöra om ett sådant projekt är lönsamt. För närvarande är det en stor utmaning för utvecklare av mininät att samla in denna information i den hastighet och skala som krävs för att göra effektiva investeringsval. Village Data Analytics (VIDA) är ett beslutsfattande verktyg som används för projektering av mininät och platsval. Det här dokumentet presenterar en metod för att uppskatta kostnaden för ett distributionsnät för mininät på plats för plats. Denna metod kan uppskatta den totala efterfrågan, potentiella anslutningar, komponenter för distribution sinfrastruktur och motsvarande kostnader för varje plats. Modellen kan göra förutsägelser för 50 platser inom två timmar, så verktyget är särskilt användbart för preliminära uppskattningar i planeringsfasen. En mer detaljerad studie av de enskilda platserna rekommenderas. Jämförelse med ett riktmärke har visat att förhållanden på plats ofta avslöjar aktiviteter som bara kan fångas genom en undersökning. Men att samla in data på plats är tidskrävande och kostsamt. Därför kan GIS- och modelleringsverktyg fungera som en bra approximation av verkligheten på marken och är relevanta för att påskynda planering och stödja beslutsfattande i rätt tid.

Renewable energy is playing an increasingly significant role in power system operation and stability assessment with its numerous penetration expansion. This is not only brought by its uncertain power output and inverter-based equipment structures but also its operation characteristics like Low Voltage Ride Through (LVRT). It is thus necessary to take these characteristics into consideration and further to find more adaptive schemes to implement them for more effective analysis and safer power system operation. All the aforementioned is based on the accurate identification of the system fundamental information. In this dissertation, a systematic approach is proposed to find the valid system model by estimating the transmission line parameters in the system with PMU measurements. The system transient stability assessment is conducted based on this validated model. The constrained stability region is estimated with Lyapunov functions family based method in the center of angles reference frame considering renewables LVRT as operation limits. In order to integrate the LVRT constraints, a polytopic inner approximation mechanism is introduced to linearize and organize the transformed constraints in state space, which brings much scalability to the whole process. From the voltage stability perspective, an approach to adaptively adjust LVRT settings of the renewable energy sources in the system is formulated to guarantee the system load margin and thus the voltage security. A voltage prediction method is introduced for critical renewable energy sources identification. Estimation methods based on interpolation and sensitivities are developed and conducted for saving computation effort brought by continuation power flows. Multiple test cases are studied utilizing the proposed approaches and results are demonstrated. / Doctor of Philosophy / Renewable energy utilization is continuously rising nowadays. They are clean but highly dependent on natural resources, which causes their uncertainty and intermittence in electric power output. The power system, on the other hand, is designed for schedulable and controllable power generators, which make the traditional methods for system operation and analysis of the system stability much less effective facing the trend of renewables integration. In this dissertation, a series of systematic approaches are proposed firstly identify the system parameters for more accurate system modeling through PMU measurements, then to assess the system transient stability considering the renewable energy sources operation limits, and finally to adaptively adjust these operation limit for improving the system voltage security. The operation limits are transferred into the form in terms of system states. Linearization and approximation methods are also introduced to enhance the scalability of the processes. Multiple test cases are studied with the proposed approaches and the results demonstrate their effectiveness and efficiency.

In der Niederspannungstechnik werden die Anlagen zum Übertragen und Verteilen von Elektroenergie als Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen bezeichnet. Die Anlagen sollen ihre Aufgaben möglichst wartungsfrei über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten erfüllen. Damit ein langzeitstabiler Betrieb der Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen möglich ist, müssen die Anlagen mindestens normgerecht thermisch dimensioniert sein. Um die Erwärmung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen zuverlässig und effizient zu berechnen, wird in dieser Arbeit die Wärmenetzmethode genutzt. In der Wärmenetzmethode werden die Vorgänge der Erwärmung mit Hilfe von Wärmestromquellen, Temperaturquellen, Wärmewiderständen und Wärmekapazitäten nachgebildet. Einen wesentlichen Einfluss auf die Erwärmung einer Schaltgerätekombination haben die in den Wärmequellen der Anlage erzeugten Verlustleistungen. Die dominanten Wärmequellen (Hauptwärmequellen) innerhalb von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen werden in dieser Arbeit untersucht und die Ergebnisse in die Wärmenetzmethode integriert. Mit den Ergebnissen werdenmit Hilfe der Wärmenetzmethode die Erwärmungen verschiedener Betriebsmittel einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination berechnet und anhand von Experimenten verifiziert. Die Wärmenetze der einzelnen Betriebsmittel werden zum Gesamt-Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination zusammengeschaltet. Die mit diesem Wärmenetz berechneten Temperaturen werden dann durch Experimente an der Versuchsanlage einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination verifiziert. Eine der Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die ohmschen Leitungsverluste in den Strombahnen der Hauptsammel- und Feldverteilerschienen. Bei Drehstrombelastung werden die hier in den einzelnen Teilleitern erzeugten Verlustleistungen durch die Stromverdrängung aufgrund des Skin- und den überlagerten Proximity-Effekts maßgeblich beeinflusst. Gegenüber einer Gleichstrombelastung unterscheiden sich die Verlustleistungen jedes einzelnen Teilleiters um den Leistungsfaktor k3~. Für Drehstromschienensysteme mit mehreren Teilleitern existieren bisher nur unzureichende Angaben zum Leistungsfaktor k3~ durch den Skin- und den Proximity-Effekt. In dieser Arbeit wurden FEM-Modelle aufgebaut, die Leistungsfaktoren k3~ für unterschiedliche Schienenanordnungen berechnet und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Weitere Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die in den Anlagen eingebauten Betriebsmittel zum Schalten, Trennen und Schützen (z. B. Leistungsschalter, Trennschalter, Trenneinrichtungen, Sicherungen). Neben den Schaltkontakten selbst gehören die thermischen Schutzauslöser und Sicherungen zu den Hauptwärmequellen in den Strombahnen der Schaltgeräte. Um die Erwärmung der Geräte genau zu berechnen, müssen der Aufbau der Strombahnen und die Verteilung der Widerstände bekannt sein. Diese Widerstände können im Allgemeinen nur gemessen werden. Dabei hat sich zum einen gezeigt, dass die gemessenen Widerstände der Schaltkontakte von Kompaktleistungsschaltern auch im selben Gerät stark variieren können. Zum anderen sind die Widerstände der Schaltkontakte so dominant, dass in ihnen bis zu 47 % der gesamten Verlustleistungen eines Kompaktleistungsschalters entstehen können. Bedingt durch die zunehmende kompakte Bauweise der Anlagen erzeugen die Drehstromfelder der Sammelschienen hohe magnetische Feldstärken in umgebenden Metallteilen. In den Gehäusen, Einbauplatten, Wänden, Umhüllungen und Verkleidungen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen können daher hohe Verlustleistungen entstehen, die maßgeblich die Erwärmung der Anlagen beeinflussen. Rechnerische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass bei typischen Anordnungen von Schienen und Umhüllungen Verlustleistungen entstehen, die bis zu 32,7% der gesamten in der Versuchsanordnung gemessenen Verlustleistungen betragen. Sind die Ergebnisse der untersuchten Wärmequellen in die Wärmenetze der verschiedenen Betriebsmittel von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen integriert, ermöglichen die aufgebauten Wärmenetze die Berechnung von Temperaturen mit geringen Abweichungen (+4,4 K, -3,5 K) verglichen mit gemessenen Temperaturen. Mit den verifizierten und modularisierten Wärmenetzen der Betriebsmittel ist eine Möglichkeit geschaffen, Wärmenetze von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen effizient und wirtschaftlich aufzubauen.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163 / In low-voltage engineering the systems for transmission and distribution of electric energy are named as low-voltage switchgear and controlgear assemblies. The systems have to perform their functions maintenance free as much as possible for a period of some decades. To achieve a long-time stable operation, the systems have to be designed thermally at least according to standards. In this thesis the thermal network method is used to calculate the heating of low-voltage switchgear and controlgear assemblies reliably and efficiently. The thermal network method simulates the processes of heating by heat sources, temperature sources thermal resistors and thermal capacities. The thermal power losses which are produced in the heat sources of the systems have significant influence on the heating of switchgear and controlgear assemblies. The dominant heat sources (main heat sources) within low-voltage switchgear and controlgear assemblies are researched at this thesis and the results are integrated to the thermal network method. The results are used to calculate the heating of various electrical components of a low-voltage switchgear and controlgear assembly using the thermal network method and verified by means of experiments. The thermal networks of the individual components are interconnected to form the overall thermal network of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. The temperatures computed with this thermal network are then verified by experiments at the test setup of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. In low-voltage switchgear and controlgear assemblies one of the main heat sources are the ohmic losses in the current paths of the main busbars and the distribution busbars. If the busbars are loaded with a three-phase current, the generated power losses of every individual subconductors are significantly influenced by the current displacement due to the skin effect and the superposed proximity effect. The power losses of each individual subconductor differ by the power factor k3~ compared to a DC load. For three-phase busbar systems with several subconductors there is only insufficient information on the power factor k3~ which takes into account the current displacement by the skin effect and the proximity effect. In this thesis, FEM models were developed to calculate the power factor k3~ for different busbar systems. The results were verified by experimental investigations. The installed electrical devices for switching, isolating and protection (e. g. circuit breakers, disconnectors, devices for disconnecting and fuses) are further main heat sources in low-voltage switchgear and controlgear assemblies. In addition to the main switching contacts themselves, thermal protection trips and the fuses are the main heat sources in the current paths of the switching devices. In order to calculate the heating of the electrical devices properly, the structure of the current paths and the distribution of the electrical resistances have to be known. In general these resistances can only determine by measuring. On one hand, it was found that the measured resistances vary widely even inside the same device. On the other hand, the resistances of the switching contacts are dominating, that up to 47 % of the entire power losses of a molded case circuit breaker can be generated there. Conditioned by the more and more compact design of the switchgears, the three-phase fields of the main busbars causes high magnetic fields at the surrounding metallic components. High power losses can therefore occur in housings, panels, walls, casings and enclosures in low-voltage switchgear and controlgear assemblies, which have a significant influence on the heating of the systems. Computational and experimental investigations have shown that typical arrangements of busbars and enclosures result in power losses of up to 32.7% of the total power losses measured in the test setup. If the results of the investigated heat sources are integrated into the networks of the various equipment of low-voltage switchgear and controlgear assemblies, the thermal networks set up enable the calculation of temperatures with small deviations (+4.4 K, -3.5 K) compared with measured temperatures. The verified and modularised thermal networks of the equipment provide an efficient and economical way of setting up heating networks of low-voltage switchgear and controlgear assemblies.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163