To develop more competitive solutions, one of the trends in the development of drive systems for electric and hybrid electric vehicles (EVs/HEVs) is to integrate the power electronic converter and the electric motor. This thesis aims to investigate the performance and the operation of modular converters in integrated motor drive systems for EVs/HEVs. In the first part, the concept of integrated modular motor drive systems for EVs/HEVs is introduced. Three suitable modular converter topologies, namely, the stacked polyphase bridges (SPB) converter, the parallel-connected polyphase bridges (PPB) converter and the modular high frequency (MHF) converter, are evaluated and compared with conventional electric drives in terms of power losses, energy storage requirements, and semiconductor costs. In the second part of the thesis, the harmonic content of the dc-link current of the SPB converter is analyzed. By adopting an interleaving modulation the size of the dc-link capacitor can be reduced without increasing the switching frequency, which is beneficial for achieving a compact integrated system. This method allows for around 80% reduction of the dc-link capacitance for vehicle drives, resulting in a significant size reduction of the power converter and improved integration. Finally, a communication-based distributed control system for the SPB converter is presented. The communication delay arising from the serial communication is inevitable, thus a timing analysis is also presented. It has been found that stability is maintained even when the baud rate of the SPI communication is lower than 1 Mbps, indicating that other communication protocols with lower bandwidths can also be adopted for this topology. The analytical investigations provided in this thesis are validated by experiments on a four-submodule laboratory prototype. Experimental results verify the correctness of the theoretical analysis, as well as the dynamic performance of the distributed control system. / <p>QC 20161121</p>

Rapporten utreder om distributionstransformatorer med märkeffekten 50 kVA i Vattenfall Eldistribution AB:s elnät kan avskaffas till förmån för märkeffekten 100 kVA. Transformatorer med märkeffekten 50 kVA förekommer vid nedtransformering av spänningen från 22 kV och 11 kV till hushållens huvudspänning 0,4 kV. 50 kVA-transformatorer skiljer inte särskilt mycket från transformatorer med den högre märkeffekten i fråga om storlek och pris, och de bedöms kunna bytas ut utan större praktiska svårigheter. Fördelen med 100 kVA är att de elektriska belastningsförlusterna blir lägre i och med den högre märkeffekten. Dessutom innebär ett byte vissa elkvalitetsförbättringar. Nackdelarna med 100 kVA är att de elektriska tomgångsförlusterna är högre och att inköpspriset är högre än för 50 kVA. I övrigt kan kostnaderna likställas för de två alternativen. Endast kostnader för aktiva effektförluster berördes i rapporten då de ekonomiska kostnaderna för reaktiva effektförluster kunde försummas för de aktuella transformatorerna. För att nå ett svar på frågan om det kan vara lönsamt att avskaffa 50 kVA-transformatorerna studerades fem verkliga fall i Vattenfalls svenska elnät. Dessutom studerades eventuella elkvalitetsvinster med ett byte. Svaret blev att inte för något av de fem studerade fallen var det lönsamt med ett byte till 100 kVA-transformator. Rörande elkvalitetsaspekten blev svaret att ett byte visserligen innebär en skillnad men att andra faktorer oftast har större betydelse. Rapportens rekommendation blev att behålla 50 kVA-transformatorn i distributionsnätet.

L’optimisation de l’efficacité énergétique des machines électriques constitue un domaine de recherche bien développé et fait partie des objectifs de plusieurs accords internationaux comme le projet Energie-Climat de la Commission Européenne visant l’amélioration de 20% d’efficacité pour 2020, encore étendu pour 2030 avec des objectifs plus importants. Ainsi, cette thèse propose un procédé d’optimisation du rendement du moteur asynchrone en agissant sur les paramètres du contrôle. Pour atteindre cet objectif, le flux dans l’entrefer est adapté selon un tableau de flux optimal calculé hors ligne pour tous les points de fonctionnement possibles. Ce flux est déterminé avec le plus haut degré de précision possible en se basant sur un modèle dynamique de la machine développé dans ces travaux. Ce dernier pallie le point faible du modèle dynamique classique, en prenant en compte l’effet des pertes fer. Le modèle des pertes fer utilisé est celui de Bertotti, qui les évalue en fonction de la fréquence et de l’amplitude du champ magnétique. Les pertes sont alors représentées par une résistance variable, continuellement évaluée selon le point de fonctionnement. Le tableau de flux optimal obtenu est fonction des conditions d’opération repérées dans le plan couple-vitesse. Ainsi l’étude montre que le flux peut être optimisé pour des valeurs de couple sensiblement inférieures à environ la moitié du couple nominal, ce seuil variant en fonction de la vitesse. La méthode d’optimisation proposée est simulée puis testée pour le contrôle scalaire et le contrôle vectoriel indirect par orientation de flux rotorique, afin de montrer la généricité de l’approche. La validation est conduite sur une maquette expérimentale d’une puissance de 5.5 kW et pour 2 machines asynchrones de générations différentes (IE2 et IE3). Les résultats obtenus montrent la réduction des pertes dans la machine et donc une amélioration du rendement global, tout en préservant un comportement dynamique satisfaisant. L’optimisation de l’efficacité énergétique est ainsi validée pour les deux structures de contrôle et pour les deux types de machine. Outre une comparaison avec la simulation, la solution proposée est comparée aux méthodes existantes afin d’en apprécier l’efficacité. / Energy efficiency optimization of electric machines is an important research field and is part of the objectives of several international projects such as the European Commission Climate and Energy package which has set itself a 20% energy savings target by 2020, and was extended for 2030 with higher targets. Therefore, this thesis proposes an efficiency optimization method of the Induction Machine (IM) through the variation of the control parameters. To achieve this goal, the flux in the airgap is modified according to an optimal flux table computed off-line for all possible operating points. The flux table is calculated with the best possible accuracy through an improved dynamic model of the IM, developed in these works. The latter avoids the main drawback of the classic dynamic model, by considering the effect of core losses. The core loss model established by Bertotti is used. It depends on the frequency and the amplitude of the magnetic field. The losses are then represented by a variable resistor, continuously evaluated according to the operating point. The established optimal flux table is a function of the operating conditions in terms of torque and speed. Indeed, the results show that the flux can be optimized for torque values less than about half the rated torque, and that this threshold is influenced by the speed. The proposed optimization method is simulated, then tested for the scalar control and the field-oriented control, in order to show the genericity of the proposed approach. The validation is carried on an experimental test bench for two 5.5 kW induction motors of different efficiency standards (IE2 and IE3). The results obtained show the reduction of the losses in the motor, thus an improvement of the overall efficiency while preserving a satisfactory dynamic behavior. Consequently, the optimization of the energy efficiency is validated for the two control structures and for the two studied motors. In addition to the validation of the simulation results, the proposed approach is compared to existing methods to assess its effectiveness

Tato diplomová práce pojednává o návrhu ložisek kompresoru. Za tímto účelem byl zakoupen speciální program JDynamic. Tento software poskytuje cenný přínos při navrhování kluzných ložisek a s tím spojených problémů. Programové výsledky reálného kompresoru jsou obsaženy v parametrické studii. Byl proveden test reálného kompresru. Modifikace kluzných ložisek byly zaměřeny na snížení ztrát.

Ces travaux s'inscrivent dans le contexte de la gestion de l'énergie électrique dans les applications domestiques 230V - 50Hz. Le niveau de puissance visé se situe aux environs de la centaine de watts, et les structures de conversion utilisent des interrupteurs bidirectionnels bicommandables réalisés aujourd'hui à l'aide d'associations anti-série de composants de type MOS. Malgré les améliorations apportées par certains de ces dispositifs, leur coût de fabrication reste encore élevé et limite leur plus large diffusion sur ce marché partagé avec le triac à ce jour. Nous proposons une architecture de structure bipolaire bidirectionnelle en courant et symétrique en tension appelée BipAC. Le BipAC est une structure verticale bidirectionnelle, contrôlable à la fermeture et à l'ouverture, réalisable sur substrat N (BipAC PNP) ou P (BipAC NPN). Sa faible chute de tension à l'état passant et sa commande ON/OFF avec une seule électrode de référence la rendent intéressante pour des applications spécifiques à faible niveau de courant (<1A). L'étude de la structure BipAC s'appuie sur des simulations physiques 2D effectuées à l'aide du logiciel SentaurusTM. Afin d'améliorer le gain en courant de la structure BipAC initiale, une nouvelle version du BipAC a été proposée et validée par des simulations physiques 2D (de type process et électrique). Ensuite, des masques sont conçus sous le logiciel CadenceTM. La structure initiale est réalisée sur les deux types de substrat et pour deux épaisseurs différentes de chaque type. La fonctionnalité du BipAC est validée par des caractérisations électriques. / This thesis work deals with the design of an AC switch structure for specific ac mains applications 230V - 50 Hz. The targeted power level is about a hundred watts, and the currently used converter circuits make use of bidirectional switches that are realized using anti-series connected MOS transistors. Despite the improvements in performance provided by some of these structures, their fabrication cost is still high and limits their widespread diffusion in a market shared with the triac. We propose a current and voltage bidirectional bipolar device called a BipAC. It can be realized in an N-substrate (PNP BipAC) or a P-substrate (NPN BipAC). It can be controlled both to turn-on and turn-off with respect to a single reference electrode. It exhibits a very low on-state voltage that makes it attractive for specific mains applications with low load current (< 1A rms). The study of the BipAC structure is carried-out using 2D SentaurusTM physical simulations. In order to improve the current gain of the initial BipAC structure, a new version of the BipAC structure is proposed and its operating modes validated using 2D physical simulations (both process and electrical). Masks were then designed under CadenceTM software. The initial BipAC structure is realized on N and P substrates and for two different thicknesses. The operating modes of the monolithic bidirectional BipAC switch were validated through electrical characterizations.

Research in sustainable energy sources has become the interest of many studies due to the increasing energy demand and the amount of wasted energy released from existing methods, along with their effect on climate change and environment sustainability. Thermo-Electric Generators (TEGs) are a potential solution that is being studied and implemented as they can convert low grade thermal energy to useful electrical energy at various operating conditions. The integration of a TEG within a heat exchanger (TEG/HX) system connected to an electrical DC micro-grid, using a Maximum Power Point Tracking (MPPT) system is the focus of this study. Using a numerical TEG/HX model from a previous study and a developed DC micro-grid model the interaction between the thermal and electrical aspects were investigated with the focus on the electrical performance of the system. The main concern of this study is to investigate the effect of the sub components of the DC micro-grid on the overall available energy. An analytic model was developed to estimate the power loss in the electrical circuit of the micro-grid, the model utilizes the equations for switching and conduction losses which have been used by several studies. Other variables such as the battery characteristics and electrical load profiles were also investigated by simulating several case studies including changing operating conditions. This study shows the effect of a TEG configuration on the power loss in an electrical system using power loss curves in comparison with the Open Circuit Voltage (OCV) of such configuration. It also covers important modes of operation for the battery, loads and MPPT for a stable and reliable operation of an isolated DC micro-grid system were TEGs are the only source of power. The result of the study presented is a system design that is able to maximize the electrical energy harvested from the TEGs to extend the operation of the dc-micro-grid first by applying a suitable TEG configuration and consequently a suitable electrical circuit. Secondly, by adapting to the changing operating conditions of the TEGs and the loads; and compensating for these changes using the battery storage system. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet EDIT(Efficient Distribution Truck, FUI19), piloté par le groupe Volvo Trucks, dont l’objectif de réduction de consommation pour 2020 est fixé à 13% par rapport à un véhicule actuel EURO-6. Le projet EDIT porte sur cinq axes techniques d’amélioration dont un consiste en l’obtention d’un système optimisé de transmission par courroie poly-V au regard des pertes de puissance. Actuellement les faces avant de moteur sont perfectionnées sur le plan mécanique ; cela signifie que la durée de vie de ses composants est optimisée, et que les nuisances vibratoires sont réduites. Par contre, des améliorations peuvent être apportées sur le plan énergétique. Cette thèse, qui a pour objectif d’investiguer les possibilités de réduction et d’optimisation des pertes de puissance sur les façades accessoires, se décline en trois parties : une caractérisation par l’analyse mécanique dynamique des matériaux viscoélastiques des courroies poly-V et des composantes de façade ; une modélisation, une optimisation et une implémentation logicielle des modèles de pertes de puissance ; validées par une dernière partie expérimentale sur banc d’essais. Les pertes de puissances dans une face avant moteur sont de plusieurs types : des pertes internes à la courroie poly-V (hystérésis du caoutchouc), des pertes externes à la courroie (glissement poulie/courroie) et des pertes internes aux composants (frottement dans les roulements). Ces pertes peuvent désormais être quantifiées et optimisées grâce aux modèles développés durant cette thèse. Ces modèles ont été validés et implémentés dans un outil de simulation (PLFead, Power Loss Front engine accessory drive), qui a été développé pour optimiser les pertes de puissance en tenant compte des paramètres de design et de fonctionnement des faces avant moteur. / This work is a part of the Efficient Distribution Truck (EDIT, FUI 19) project, led by Volvo Trucks, whose objective is to reduce distribution vehicles’ fuel consumption for 2020 by 13% when compared with the current production vehicle EURO-6. The EDIT project targets five areas of research and technical solutions, one of which consists of obtaining an optimized poly-V belt transmission concerning the power losses. In terms of lifetime of the mechanical components, reduction of noise and vibrations, the Front Engine Accessory Drives (FEADs) are currently one of the most technologically sophisticated systems. However, further improvements can be made to make the vehicles more energy efficient. This thesis, which aims at investigating possibilities for reducing and optimizing the power losses in the FEADs, is composed of three main parts: the characterization of the viscoelastic materials of the poly-V belts via Dynamic Mechanical Analysis (DMA) and the FEAD components; the modeling, the optimization and the implementation of the power loss models in a simulation tool; and their experimental validation through a test bench. The power losses occurring in a FEAD are of several types: poly-V internal losses (hysteresis of the belt-rubber), poly-V external losses (belt/pulley slip) and losses from the accessory drives (friction inside the bearings). These power losses can be quantified and optimized thanks to the models developed throughout this thesis. These models have been validated and implemented in a simulation tool (PLFead, Power Loss Front engine accessory drive), which has been developed to optimize the power losses taking into consideration the design parameters and operating conditions of the FEAD.

La complexité croissante des dispositifs en électronique de puissance nécessite l'intervention de la conception assistée par ordinateur. Le développement de systèmes électriques/électroniques est effectué à l'aide du prototypage virtuel dans lequel les logiciels de simulation sont utilisés pour prédire le comportement des composants. De ce fait, le prototypage virtuel permet une économie de temps et d'argent pour la réalisation de prototypes. La demande croissante d'appareils à faible puissance et à haut rendement a obligé les concepteurs à analyser précisément les pertes de chaque composant constituant du système. Les composants magnétiques constituent une partie importante des appareils en électronique, par conséquent la modélisation précise des matériaux magnétiques est nécessaire afin de prédire leur comportement réaliste dans des conditions de fonctionnement variables selon l'application. Notre travail s'inscrit dans ce contexte et propose un modèle dynamique non linéaire de composants magnétiques pour une utilisation dans des simulateurs de circuits électriques. Ce modèle de composant magnétique inclut le comportement d'hystérésis non linéaire du matériau et permet une modélisation précise des pertes fer et des pertes joule avec de plus la prise en considération des effets thermiques qui, généralement, ne sont pas pris en compte par les modèles existants. Le modèle est basé sur le principe de la séparation des contributions statiques et dynamiques des pertes fer et s'appuie sur la théorie de Bertotti. Le langage de programmation VHDL-AMS est utilisé en raison de sa fonctionnalité de modélisation multidomaines, permettant un couplage avec un modèle thermique. Le modèle de composant magnétique est mis en oeuvre dans le logiciel de simulation de circuit "Simplorer". Il est ensuite testé dans une application de convertisseur de puissance, le convertisseur abaisseur qui permet de fournir une excitation non-conventionnelle. Le modèle est validé pour différents noyaux d'inductances, différentes ondulations de courant et niveaux de charge, différentes températures et une large gamme de fréquence / The increasing complexity of power electronic devices requires the intervention of computer-aided design in electrical engineering. Development of electric/electronic systems nowadays is carried out by the help of virtual prototyping, in which simulation software are used to predict components behavior without investing time and money to build physical prototypes. The increasing demand of low power, high efficiency devices forced designers to precisely analyze losses in each component constituting the system. Magnetic components constitute a major part of electronics devices. Therefore accurate modeling of magnetic materials is mandatory in order to predict their realistic behavior under variable operating conditions. Our work takes place in this context by proposing a non-linear dynamic model of magnetic components for use in circuit simulators. It includes the material nonlinear hysteretic and dynamic behaviors with accurate modeling of winding and core losses in addition to thermal effects that are not taken into account by existing models. The model is based on the principle of separation of static and dynamic contributions as well as Bertotti’s theory. VHDL-AMS is used as a modeling language due to its multi-domain modeling feature, allowing coupling with a thermal model. The magnetic component model is implemented in circuit simulation software “Simplorer” It is then tested in a widely used power converter application, the buck converter, to ensure non conventional excitation. The model is validated for different core inductors, different current ripples, different loads, different temperatures and a wide frequency range

Η θερμική ανάλυση είναι μια σημαντική περιοχή μελέτης και γίνεται περισσότερο σημαντική για την σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών εξαιτίας της ανάγκης για μείωση του όγκου των υλικών και του κόστους κατασκευής τους καθώς και για την αύξηση της απόδοσής τους. Είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση μιας και η θέρμανση της μηχανής θα οριοθετήσει την ονομαστική της ισχύ καθώς και την διάρκεια ζωής της μόνωσης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση της κατανομής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται βασικές έννοιες της θερμοδυναμικής. Γίνεται αναφορά σε διάφορους συντελεστές, παρουσιάζονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι και γίνεται σύντομη αναφορά στους μηχανισμούς μετάδοσης θερμότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται η αναλυτική περιγραφή των μηχανισμών μετάδοσης θερμότητας και παρουσιάζεται ένα απλό δίκτυο μοντελοποίησης με ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σύντομα η δομή, η αρχή λειτουργίας και οι τύποι μιας ασύγχρονης μηχανής. Εδώ επίσης αναφέρονται και οι διάφορες μορφές απωλειών ενέργειας κατά την λειτουργία μιας τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Παρουσιάζεται ακόμη ο υπό μελέτη κινητήρας και αναφέρονται τα θερμοστοιχεία που χρησιμοποιούνται στην πειραματική διαδικασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος θερμικής ανάλυσης με χρήση ισοδυνάμου κυκλώματος θερμικών αντιστάσεων για την μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια δίνεται το προτεινόμενο κύκλωμα και παρουσιάζονται αναλυτικά οι ισοδύναμες θερμικές αντιστάσεις του μοντέλου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, γίνεται σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιακών τιμών που πάρθηκαν από τα θερμοστοιχεία και ακολουθεί η διαδικασία της παραμετροποίησης στους διάφορους συντελεστές που χρησιμοποιήθηκαν είτε υπολογίστηκαν κατά την ανάλυση. / Thermal analysis is an important design area and becoming more important part of the electric motor design process due to the push for reduced weights and costs and increased efficiency. Thermal analysis is of equal importance as the electromagnetic design of the machine, because the temperature rise of the machine eventually determines the maximum output power. The purpose of this study is to record the temperature distribution of the internal parts of an induction motor at steady state using an equivalent thermal circuit with lumped parameters. The first chapter is an introduction of the thermodynamic theory. The laws of thermodynamics are described and there is a brief report of heat transfer mechanisms. The second chapter describes analytically the heat transfer mechanisms. Also, an example of modelling using thermal equivalent resistances is given. The third chapter introduces shortly the operational principles of an induction machine. Here are also referred the various losses that occur during the rotation of an induction motor. The studied induction motor, with the modified stator winding to include thermocouples, is shown. The fourth chapter introduces the method of thermal analysis using thermal equivalent circuit with lumped parameters. The proposed model is given and its components are described in particular. At last, in the fifth chapter the results of temperature distribution are given and compared with experimental data of temperature values that are acquired using the thermocouples. Here also takes apart the parameterising of the various coefficients that were used or calculated during this study.

Cette thèse est dédiée à l’étude des contacts lubrifiés tore-plan sous diverses conditions. Ces contacts se situent à l’interface entre l’extrémité torique des rouleaux et le collet de la bague dans les roulements à rouleaux. La première complexité de cette étude provient de la géométrie particulière des solides concernés. La deuxième est générée par la cinématique complexe qui règne dans ces contacts. Afin de comprendre les mécanismes physiques à l’œuvre, une approche duale (expérimentale et numérique) est adoptée. Le banc d’essai Jérotrib permet une première étude basée sur l’hypothèse que le contact élastohydrodynamique tore-plan est similaire à un contact elliptique équivalent. Grâce à une méthode d’interférométrie optique en lumière blanche qui a été adaptée aux spécificités du contact en question, des mesures précises de l’épaisseur de film ont été effectuées dans un nombre significatif de conditions. Sur cette base, un modèle numérique thermo-élastohydrodynamique a été validé avec précision. Ce dernier a permis d’étudier les écoulements de fluide à l’entrée du contact afin de mettre en évidence leur influence sur le champ d’épaisseur de film. Le modèle numérique a ensuite été amélioré afin de prendre en compte la vraie forme des solides. Il a été validé en épaisseur de film par le banc d’essai Tribogyr, dans des conditions similaires à celles rencontrées dans les vrais roulements. Il a été montré que le cisaillement du fluide est responsable de l’échauffement des solides, qui diminue par suite l’épaisseur de film : ceci souligne la nécessité de modéliser cet échauffement global pour prédire la séparation des surfaces. Par ailleurs, lors de l’étude, le champ de pression et d’épaisseur de film ont perdu leurs symétries à cause de la cinématique et de la forme des solides. Toutefois, le comportement du contact est resté similaire à celui d’un contact elliptique, en dehors de certains cas limites. / This thesis is dedicated to the study of torus on plane contacts under various operating conditions. They can be found at the interface between the torus roller-end and the flange in roller bearings. The first challenge of this thesis is to deal with unusual mating geometries. The other challenge is the presence of a complex kinematic which operates in these contacts. In order to further develop the understanding of such a contact, a dual approach (experimental and numerical) is adopted. The Jérotrib test-rig enables a first study, by considering that the élastohydrodynamic torus on plane contact can be modelled by an elliptical equivalent contact. Thanks to a differential colorimetric interferometry method which was improved and adapted during the thesis, precise film thickness measurements are carried out under a rather wide range of operating conditions. A thermo-elastohydrodynamic numerical model is developed and validated by comparing its results to the ones of the test-rig. A numerical study on film forming is then proposed and the role of the contact ellipticity is investigated. The numerical model is improved in order to take into account the actual shape of the solids. A film thickness validation of the model is proposed, thanks to measurements performed on the Tribogyr test-rig. The operating conditions are very similar to the one encountered in actual bearings, and the mating solids have representative geometries: it is an actual torus-on-plane contact. It is demonstrated that the lubricant shearing is responsible for the solids temperature rise, which in its turn, reduces the film thickness. It appears mandatory to be able to predict this global warming of the bodies. It is also demonstrated that the pressure and film thickness distributions lose their symmetry because of the spinning kinematic and the solids shape. However, the behaviour of the torus-on-plane contact appears very similar to the one of an elliptical equivalent contact, apart from some limit cases.