In paper mills, the paper machine is followed by a winding machine which cuts paper to intended width and rolls onto cylinders to specified length. Central to this paper is the gathering and synchronizing of data from databases relevant to automation research for the winder. Part of data gathering was automated with Python and the data was analyzed to determine details about the data. Data was found to be stored in different databases and accessible through different interfaces with some variation in formatting of time strings and time zones between data sources. Other issues, likely stemming from different parts of the greater system being implemented at different times, provided by different companies utilizing different technologies. Suggestions toward streamlining of data gathering for ease of future automation and research were given with discussion of this work, the system, theory and future research.

This thesis deals with the elaboration of The Permanent Magnet Synchronous Motor and the calculation of its parameters. In the first part, the construction and used permanent magnets of this motor are listed here. The next part of the thesis contains a short overview of the stator windings, the calculation of the winding factors and calculation of the basic parameters of the stator winding. The calculation of the magnetic induction in the air gap is also illustrated here. The result is recalculated by using the Carter factor and then the value of the first harmonics of air-gap flux density is determined. The result is compared with the analysis in the program FEMM. The next part of the thesis is creating a comprehensive overview of the machine using a replacement circuit diagram and phasor diagrams. Finally, the thesis contains model created in RMxprt and ANSYS Maxwell. The results of the model analysis are compared with the analytical calculation

Abstract: Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have been used in the field of civil engineering constructions especially in corrosive environments. They can be used as internal reinforcement for beams, slabs, and pavements, or as external reinforcement for rehabilitation and strengthening different structures. One of their innovative applications is the concrete-filled FRP tubes (CFFTs) which are becoming an alternative for different structural members such as piles, columns, bridge girders, and bridge piers due to their high performance and durability. In such integrated systems, the FRP tubes act as stay-in-place forms, protective jackets for the embedded concrete and steel, and as external reinforcement in the primary and secondary direction of the structural member. Extensive research was developed on CFFTs as columns, but comparatively limited research was carried out on CFFTs as beams especially those with rectangular sections. The circular sections exhibit magnificent confinement efficiency in case of columns. However, the rectangular sections have higher moment of inertia and flexural stiffness to resist the applied loads and deformations in case of beams. Moreover, the construction and architectural requirements prefer the rectangular section of beams, rather than the circular beams, due to its stability during installation and its workability during connecting to other structural members like slabs and columns. Also, CFFTs that are completely filled with concrete are not optimal for applications governed by pure bending, because the excess weight of the cracked concrete below the neutral axis may increase the transportation and installation cost. This dissertation presents experimental and theoretical investigations on the flexural behaviour of rectangular CFFT beams with steel rebar. These hybrid FRP-concrete-steel tubular rectangular beams contain outer rectangular filament-wound glass-FRP (GFRP) tubes to increase the sectional moment of inertia, to provide flexural and shear reinforcement, and to protect the inner structural elements (concrete and steel) against corrosion. The outer tubes were fully-or-partially filled with concrete and were reinforced with steel rebar at the tension side only. Inner hollow circular or square filament-wound GFRP tubes, shifted toward the tension zone, were provided inside the CFFT beam to eliminate the excess weight of the cracked concrete at the tension side, to confine actively the concrete at the compression side and to act as reinforcement at the tension side. The surfaces of tubes adjacent to concrete were roughened by sand coating to fulfill the full composite action of such hybrid section. Several test variables were chosen to investigate the effect of the outer and inner tubes thickness, fibers laminates, and shape on the flexural behaviour of such hybrid CFFT beams. To fulfil the objectives of the study, twenty-four full-scale beam specimens, 3200 mm long and 305×406 mm2 cross section, were tested under a four-point bending load. These specimens include eight fully-CFFT beams with wide range of tube thickness of 3.4 mm to 14.2 mm, fourteen partially-CFFT beams with different outer and inner tubes configurations, and two conventional steel-reinforced concrete (RC) beams as control specimens. The results indicate outstanding performance of the rectangular fully and partially-CFFT beams in terms of strength-to-weight ratio and ductility compared to the RC beams. The fully-CFFT beams with small tube thickness failed in tension by axial rupture of fibers at the tension side. While, the fully-CFFT beams with big tube thickness failed in compression by outward buckling of the outer tube compression flange with warning signs. The results indicate also that the flexural strength of the fully-CFFT beams was ascending nonlinearly with increasing the tubes thickness until a certain optimum limit. This limit was evaluated to define under-and-over-reinforced CFFT sections, and consequently to define the tension and compression failure of fully-CFFT beams, respectively. The inner hollow tubes act positively in reinforcing the partially-CFFT beams and confining the concrete core at the compression side. The strength-to-weight ratio of the partially-CFFT beams attained higher values than that of the corresponding fully-CFFT beams. Generally, the partially-CFFT beams failed gradually in compression due to outward buckling of the outer tube compression flange with signs of confining the concrete core at the compression side. The inner circular voids pronounced better performance than the square inner voids, however they have the same cross sectional area and fiber laminates. Theoretical section analysis based on strain compatibility/equilibrium has been developed to predict the moment-curvature response of the fully-CFFT section addressing the confinement and tension stiffening of concrete. The analytical results match well the experimental results in terms of moment, deflection, strains, and neutral axis responses. In addition, analytical investigation was conducted to examine the validity of the North American design codes provisions for predicting the deflection response of fully and partially-CFFT beams. Based on these investigations, a new power and assumptions were proposed to Branson’s equation to predict well the effective moment of inertia of the CFFT section. These assumptions consider the effect of the GFRP tube strength, thickness and configuration, in addition to the steel reinforcement ratio. The proposed equations predict well the deflection in the pre-yielding and post-yielding stages of the hybrid FRP-concrete-steel CFFT rectangular beams. / Résumé: Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (PRF) ont récemment été utilisés dans le domaine des constructions de génie civil, en particulier dans les environnements corrosifs. Elles peuvent être utilisées comme une armature interne pour des poutres, dalles et les trottoirs, ou comme une armature externe pour la réhabilitation et le renforcement de différentes structures. L'une de leurs applications novatrices est les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de béton (TPFRB ) qui sont en train de devenir une alternative pour divers éléments structuraux tels que les pieux, les colonnes, les poutres et les piliers de ponts en raison de leur haute performance et durabilité. Dans de tels systèmes intégrés, les tubes PRF agissent comme un coffrage permanent, une chemise protectrice pour le béton et l'acier encastrés, et comme une armature externe dans les directions longitudinale et transversale de l'élément structural. La recherche a été concentrée sur les TPRFB comme des colonnes, mais très peu de recherche a été effectué les TPRFB comme des poutres particulièrement celles à section rectangulaire. La section circulaire présente une efficacité de confinement efficace en cas de colonnes. Toutefois, la section rectangulaire a un moment d'inertie plus élevé et une rigidité flexionnelle plus efficace pour résister les charges appliquées et les déformations dans le cas des poutres. Par ailleurs, les travaux de construction et les exigences architecturales préfèrent la section rectangulaire des poutres, plutôt que les poutres circulaires, en raison de sa stabilité pendant l'installation et sa maniabilité lors de la connexion à d'autres membres structuraux comme les dalles et les colonnes. En outre, les poutres TPRFB qui sont complètement remplis de béton ne sont pas optimales pour les applications contrôlées par la flexion pure, puisque le béton fissuré en dessous de l'axe neutre ne contribue pas à la résistance et augmente le poids propre et les coûts de transport et d'installation. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur le comportement en flexion de poutres rectangulaires (TPRFB) en béton armé. Ces poutres rectangulaires tubulaires hybrides en PRF-béton-acier sont composées de tubes rectangulaires externes fabriquées par enroulement filamentaire. Ces tubes fournissent un renforcement de flexion et de cisaillement; et protègent le béton armé contre la corrosion. Les poutres peuvent être soient entièrement ou partiellement remplies de béton. Des tubes intérieurs ( de section circulaires ou carrés) en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont positionnés dans la zone tendue de la poutre afin de réduire le poids et d’éliminer le béton fissuré en traction. Pour augmenter l'action composite de la section hybride, les surfaces des tubes adjacents au béton ont été rendues rugueuses par enrobage de sable. Plusieurs variables ont été choisis pour étudier l'effet de l’épaisseur des tubes extérieurs et intérieurs, les laminés de fibres, et la forme sur le comportement en flexion de ces poutres hybrides (TPRFB). Pour atteindre les objectifs de l’étude, vingt-quatre échantillons de poutre pleine grandeur, ayant une longueur de 3200 mm et une section transversale de 305×406 mm2, ont été testés sous une flexion à quatre points. Ces échantillons comprennent huit poutres de TPRFB entièrement remplis avec une large gamme d'épaisseur du tube externe de 3.4 mm à 14.2 mm, quatorze poutres de TPRFB partiellement remplis avec différentes configurations de tubes extérieurs et intérieurs, et deux poutres en béton armé conventionnel, comme échantillons de référence. Les résultats indiquent une performance exceptionnelle des poutres rectangulaires de TPRFB entièrement et partiellement remplies en termes du rapport de la résistance sur la masse et de la ductilité par rapport aux poutres en béton armé conventionnel. Les poutres de TPRFB entièrement remplies avec un tube de petite épaisseur ont rompu de façon moins ductile en tension par rupture axiale des fibres. Les poutres de TPRFB entièrement remplies et ayant une grande épaisseur ont rompu de façon ductile en compression par flambage local vers l’extérieur des parois en compression du tube externe. Les résultats indiquent également que la résistance à la flexion des poutres de TPRFB entièrement remplies augmente d’une façon non linéaire avec l'augmentation de l'épaisseur des tubes jusqu'à une certaine limite optimale. Cette limite a été évaluée pour définir les sections TPRFB sous-armées et surarmées et, par conséquent, pour définir la rupture en tension et en compression des poutres de TPRFB entièrement remplies, respectivement. Les tubes creux intérieurs agissent positivement dans le renforcement des poutres de TPRFB partiellement remplies et en confinant le noyau de béton du côté en compression. En général, les poutres de TPRFB partiellement remplies ont rompu en compression par flambage local vers l'extérieur des parois en compression du tube externe. Les vides circulaires intérieurs ont montré une meilleure performance que les vides carrés intérieurs, bien qu’ils aient la même superficie de la section transversale et le même taux de PRF. Une analyse théorique basée sur la compatibilité des déformations d’une section en flexion a été développée pour prédire la réponse moment-courbure de la poutre TPRFB en tenant compte des pourcentages de confinement externe et interne. Les résultats analytiques et les résultats expérimentaux s’accordent en termes de moment, flèche, déformations, et positions de l'axe neutre. En outre, une étude analytique a été menée afin d'examiner la validité des codes de conception nord-américains pour prédire la réponse en flexion des poutres TPRFB. En se basant sur les résultats de ces études, de nouvelles équations ont été proposées pour mieux prédire le moment effectif d'inertie de la section et une nouvelle procédure de conception pour prédire les capacités ultimes. Ces équations considèrent l'effet de la résistance des tubes en PRFV externe et interne que le taux d’armature en acier. En outre, ils prédisent bien la flèche dans les phases avant et après la limite élastique des poutres rectangulaires hybrides à haute performance.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: The focus of this thesis is on the optimal design, control and evaluation of 3-phase permanent magnet radial flux synchronous machines with non-overlapping, concentrated-coil, double layer stator windings for EV hub drive applications. A simple analytical method is developed that can be used as a first design tool. The method uses and predicts the MMF harmonic content for a certain pole-slot combination as well as the harmonic content for the air gap permeance function. These harmonics are then used to calculate the torque and torque ripple of machines with large stator slot openings and surface mounted permanent magnets. A different approach to calculate the iron, stator copper eddy current and magnet losses is presented. This method specifically looks at the machine during field weakening operation when the flux paths are changing in the machine. Flux density information throughout the machine is extracted from a series of static FE solutions, to calculate the losses and to combine this with an empirical formula. Some machine topology choices are compared for use as hub drives in small electric ve- hicles. The parameters that influence the machine design are discussed and evaluated after a multidimensional design optimization is done and an efficient control algorithm is imple- mented. The algorithm works through the entire operating speed range and make use of, automatically generated, 2D look up tables to determine the correct current reference. A stator lamination design is proposed, that combines the use of rectangular preformed coils and semi-closed stator slots. Two prototype machines, one with a good winding factor and the other with a low winding factor, are built and compared. The manufacturing and testing of the two prototype machines are described and shown in detail. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die fokus van hierdie tesis is op die optimale ontwerp, beheer en evaluasie van 3-fase per- manent magneet radiale vloed sinchroon masjiene met nie-oorvleuelende, gekonsentreerde, dubbel laag stator wikkelinge vir EV hub motor toepassings. ’n Eenvoudige analitiese metode is ontwikkel wat as ’n eerste ontwerp gereedskap stuk gebruik kan word. Die metode gebruik en voorspel die MMF se frekwensie inhoud vir ’n sekere pool-gleuf kombinasie sowel as die frekwensie inhoud vir die lug spleet permeansie funksie. Hierdie frekwensie inhoud word dan gebruik om die draaimoment en draaimoment riffel van masjiene met groot stator gleuf openinge en oppervlak magnete te voorspel. ’n Ander benadering om yster, stator koper werwel stroom en magneet verliese te bepaal word voorgestel. Hierdie metode kyk spesifiek na masjiene onder veld verswakking beheer wanneer die vloed paaie verander vanaf die normale. Die vloeddigtheid, regdeur die masjien, word verkry deur om van ’n reeks statiese eindige element oplossings gebruik te maak en dit te kombineer met ’n empiriese verliesberekening. Die parameters wat die masjienontwerp beïnvloed, word bespreek en geëvalueer na ’n mul- tidimensionele ontwerp optimering gedoen is en ’n effektiewe beheer algoritme geïmplimen- teer is. Die algoritme werk vir enige spoed en is gebaseer op die outomaties gegenereerde 2D opsoek tabelle wat die korrekte stroomverwysing gee. ’n Stator laminasie ontwerp word voorgestel wat die gebruik van vooraf vervaardigde spoele en gedeeltelik toe stator gleuwe moontlik maak. Twee prototipe masjiene, een met ’n goeie windingsfaktor en een met ’n swakker windingsfaktor is gebou en vergelyk. Die ver- vaardiging en toetsing van die twee prototipe masjiene word in detail beskryf en gewys.

Darbe įvertintos aštuonių tipų trifazių asinchroninių variklių statoriaus apvijų elektromagnetinės savybės, atlikus jų kuriamų sukamųjų magnetovarų harmonines analizes ir pagal jų rezultatus apskaičiavus elektromagnetinio efektyvumo koeficientus. Gauta, kad geriausius elektromagnetinius parametrus turi didžiausio vidutinio ir sutrumpinto žingsnio sinusinės trifazės apvijos su optimizuota sukamąja magnetovara. Eksperimentiškai išnagrinėtas gamyklinis trifazis asinchroninis 1,5 kW galios variklis su viensluoksne formine ir tas pats pervyniotas variklis su sinusine statoriaus apvija. Gamyklinio asinchroninio variklio su viensluoksne formine apvija ir pervynioto variklio su sinusine trifaze apvija visi energetiniai rodikliai apskaičiuoti atlikus jų tuščiosios veikos ir apkrovos bandymus bei panaudojus atskirų galios nuostolių metodą. Gauta, kad pervynioto asinchroninio variklio su sinusine trifaze apvija prie nurodytosios apkrovos statoriaus apvijos fazinė srovė sumažėjo 8,2 %, imama iš tinklo galia sumažėjo 5,3 %, galios nuostoliai sumažėjo 10,4 %, naudingumo koeficientas padidėjo 1,9 % ir galios koeficientas padidėjo 3,4 %, lyginant su gamyklinio asinchroninio variklio, esant tai pačiai apkrovai, atitinkamais energetiniais rodikliais. Nustatyta, kad asinchroninis variklis, turintis trifazę apviją su didesniu elektromagnetinio efektyvumo koeficientu, turi ir geresnius energetinius rodiklius. / The paper assesses the electromagnetic properties of stator winding of eight types of three-phase asynchronous motors, by performing harmonic analyses of the rotary magnetomotive forces they generate and using these results to calculate the electromagnetic efficiency coefficients. It was established that the best electromagnetic parameters are those of the sinus tri-phase winding with the largest medium and shortened step with optimised rotary magnetomotive force. Experimental analysis of a factory-made three-phase asynchronous 1,5 kW motor with a single layer form winding and the same rewound motor with sinus stator winding was performed. All energetic indicators of the factory-made asynchronous motor with a single layer form winding and the rewound motor with sinus three-phase winding were calculated after performing their no-load and load testing, and using the method of separate power loss. It was established that the phase current of the stator winding of the rewound asynchronous motor with a sinus three-phase winding, deceased by 8,2 percent at the indicated load, the power from the mains decreased by 5,3 percent, the power loss decreased by 10,4 percent, the efficiency coefficient increased by 1,9 percent and the power coefficient increased by 3,4 percent as compared to the respective indicators of the factory-made asynchronous motor at the same load. It was established that the asynchronous motor which has the three-phase winding with the larger electromagnetic... [to full text]

Dans l’aéronautique et plus précisément dans les avions tout électrique, l’objectif visé est de réduire les masses et volumes des composants. Pour cela, les actionneurs électriques remplacent progressivement les actionneurs hydrauliques et mécaniques. Ces actionneurs électriques ont besoin d’être commandés ; le projet THOR (projet européen dans lequel s’inscrit cette thèse) vise entre autres à développer un étage de commande permettant de piloter des interrupteurs de puissance. Les interrupteurs étant situés à proximité directe de l’étage driver et les tensions de sorties pouvant atteindre 3 kV, une isolation galvanique est obligatoire. Anciennement, les optocoupleurs étaient utilisés pour assurer l’isolation galvanique dans les étages de commande. Cependant, afin de pouvoir utiliser ces composants dans un environnement thermique contraignant et assurer une meilleure intégration, les opto-coupleurs ne sont plus adaptés et sont remplacés par des transformateurs. Dans ce contexte, s’inscrivent les travaux de cette thèse où l’objectif principal est de développer, réaliser et caractériser des transformateurs planaires intégrables répondant au cahier des charges THOR. Dans un premier temps, un état de l’art sur les différentes technologies de fabrication de transformateurs planaires est établi avant de choisir la technologie et les matériaux utilisés dans ces composants. Dans un deuxième temps, on s’intéresse au choix et au dimensionnement du transformateur. Deux structures répondant au cahier des charges THOR ont été retenues et dimensionnées à l’aide d’un logiciel de simulation (HFSS) : une structure entrelacée et une structure ‘face to face’. Ces deux structures ont été réalisées et caractérisées à l’aide d’un LCRmètre en basse fréquence et d’un Analyseur Vectoriel de Réseaux (VNA) en haute fréquence. Pour les deux structures, la caractérisation a permis de vérifier les valeurs des inductances magnétisantes supérieures à 1 μH souhaitées par le projet THOR et des facteurs de couplages supérieurs à 0,9 déterminées par simulation. D’autres paramètres importants du cahier des charges ont été également extraits à savoir la capacité interbobinage où des capacités inférieures à quelques pF ont été obtenues et des résistances d’enroulement inférieures à 10 Ω ont été relevées / In aeronautics and more specifically in an all-electric aircraft, the main objective is to reduce the mass and volume of the components. For this, the electric actuators gradually replace hydraulic and mechanical actuators. These electric actuators need to be commanded; THOR project (European project supporting this thesis) aims to develop a control stage to command the power switches. The switches are located in the direct vicinity of the driver stage with an output voltage that can reach up to 3 kV hence the need for a galvanic isolation. Formerly, the opto-couplers were used to provide galvanic isolation in the control stages. However, in order to use these components in thermal constraining environment and ensure better integration, opto-couplers are no longer appropriate and are replaced by transformers. In this context, the main objective of this thesis is to develop, realize and characterize integrated planar transformers that meet the THOR specifications. At first a state of art on the different manufacturing technologies of planar transformers is established before choosing the technology and the materials used in the fabrication of our planar transformers. In a second step, we are interested in the choice and size of the transformer structure. Two structures that met the THOR specifications were selected and resized using a simulation software (HFSS). Finally, these two structures were realized and characterized using an RLC-meter at low frequency and a Vector Network Analyzer (VNA) at high frequency. For both structures, the characterization allowed to verified the magnetizing inductance greater than 1 μH desired by the THOR project and a coupling factor greater than 0,9 obtained par simulations. Other important parameters were also extracted namely the inter-winding capacity where less than few pF wasobtained and the windings resistance has been identified less than 10 Ω

Les matériaux composites, et en particulier les sandwichs, sont très étudiés depuis des décennies. En effet, l'alliance entre légèreté et résistance de ces structures entraîne le développement de leur utilisation. Leur méthode de fabrication et éventuellement leur caractérisation restent des points essentiels dans la plupart des études. Ce travail s’inscrit dans le projet FUI SOLLICITERN qui vise à développer une citerne routière en matériau composite sandwich pour un véhicule d’hydrocurage. Comme première étape, et à partir du principe de l’enroulement filamentaire classique, l’objectif consiste à chercher des conceptions qui sont les mieux adaptées à l’enroulement d’un matériau sandwich sur un mandrin cylindrique, tout en respectant les paramètres de l’enroulement et leur influence sur la structure et les propriétés. La solution optimale étant validée, les matériaux constitutifs ont été étudié en mesurant de nombreuses propriétés mécaniques. L’objectif est de pouvoir aider le bureau d’étude à valider une solution de fabrication et de vérifier que les propriétés sont celles attendues. Pour ce faire, des caractérisations statique et dynamique ont menée sur des échantillons incurvés fabriqués par le procédé optimisé pour notre application. Cette partie comporte notamment différents essais expérimentaux dans le but de valider le comportement de la structure visée avec les dimensions et les combinaisons de matériaux les plus appropriées, en tenant compte du processus de fabrication. La meilleure configuration structurelle est retenue à la fin pour la fabrication de la citerne routière prototype. / Composite materials, and especially sandwich structures, have been studied for decades. Indeed, the association between lightness and resistance of these structures leads to the development of their use. Their manufacturing method and their characterization remain as essential points in most studies. This work is part of the FUI SOLLICITERN project, which aims to design a composite water treatment tank for vehicles intended for this purpose. As a first step, and based on the classical filament winding principal, we aim to search designs that are best adapted to the fabrication of a curved sandwich material on a cylindrical mandrel, while respecting the process parameters of and their influence on structural properties. Since an optimal solution was validated, the constituent materials were studied by measuring mechanical properties. The objective is to help our industrial partner to validate a manufacturing solution and verify that such properties are the expected ones. For that, several static and dynamic characterizations were carried out on curved samples manufactured by the optimized process designed for our application. This part includes various experimental tests in order to validate the structure behavior with the most appropriate dimensions and material combinations, taking into account the manufacturing process. At the end, the best structural configuration is retained for the first tank prototype fabrication.

Grâce à leurs avancées techniques en termes de poids, performances et fiabilité, les machines synchrones sont de plus en plus utilisées dans le domaine de transport et en particuliers dans l’aéronautique. Les stratégies de maintenances de ces systèmes électriques sont alors indispensables afin d'éviter des surcouts liés à des temps d'arrêt non planifiés. Ce document propose une analyse des conséquences d'un défaut inter-spires intermittent naissant dans l'enroulement statorique d'une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP). Ce type de défaut correspond à l'état peu avancé d'un futur court-circuit permanent. Jusqu'à présent, les études menées se sont limitées à la détection de courts-circuits inter-spires permanents. L'objectif de cette analyse est de définir une méthode de détection de ce type de défaut qui soit facile à mettre en œuvre. A partir d'une étude analytique du courant statorique d'une MSAP contrôlée en courant en présence de court-circuit intermittent, nous avons étudié l'impact des différentes grandeurs influençant la perturbation du courant. Nous avons constaté que la forme de la perturbation créée par le défaut était toujours la même et qu'elle était la signature du défaut intermittent dans le courant. Par la suite cette étude analytique a été validée expérimentalement. Dans la partie suivante nous avons étudié la sensibilité des méthodes de détection des courts-circuits inter-spires permanents appliquées au cas du court-circuit intermittent. Ces méthodes se sont révélées inadaptées pour la détection du défaut étudié dans ce travail. Nous avons donc proposé une méthode dédiée qui est basée sur la détection de la signature du défaut et qui utilise une transformation en ondelette adaptée. Il s'agit d'une méthode de détection de forme qui permet non seulement de détecter le défaut intermittent mais aussi de le distinguer des autres types de défauts. La performance de la méthode a été validée par les résultats de simulation et de manipulation. Dans une dernière partie, une étude plus générale sur le suivi de vieillissement des enroulements est proposée. Elle est basée sur le suivi de l'évolution des courbes d'admittance hautes fréquences d'un bobinage au cours du temps en utilisant les fonctions de transfert de ce dernier. / Thanks to technical advances in terms of weight, performance and reliability, synchronous machines are increasingly used in the transport field and especially in aeronautics. The maintenance strategies of these electrical systems are essential to avoid extra costs associated with unscheduled downtime. This document offers a study on the intermittent inter-turn fault occurring in the stator winding of a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) and its consequences. This type of fault correspond to the emerging state for a future permanent short circuit condition. So far, studies have been limited to the detection of continuous inter-turn short circuits. The main purpose of this analysis is to define a detection method for this type of fault easy to implement. Based on the stator current analytical study of a PMSM current controlled in presence of intermittent short circuit, we had studied the impact of different variables influencing the current disturbance. We had found that the shape of the disturbance created by the fault was always the same and that it was the fault signature in the current signal. Later this analytical study was validated experimentally. In the next part we had studied the sensitivity of continuous short circuits detection methods applied in the case of intermittent short circuit. These methods have been proved unsuitable to detect the defect studied in this work. Therefore, we had proposed a dedicated method based on the fault signature identification using an adapted wavelet transform. It is a pattern detection method able to detect the intermittent fault and to distinguish it from other types of defects. The performance of the method was validated by simulation and experimental results. In the last part, a more general study concerning the winding health monitoring is proposed. It uses transfer functions and it is based on the monitoring over time of the winding high frequencies admittance curves evolution.

Multilevel inverters have advantages over two-level inverters such as reduced THD, ability to operate at low switching frequencies, reduced switching losses etc. Moreover, higher voltage levels can be handled with devices of lower voltage rating. The main disadvantage with the multilevel configurations compared to the two-level inverter configuration is the increase in the number of power devices required and the circuit complexity, which necessitates complex control schemes that add to the cost. Also, the reliability of the converters comes down as the number of devices increases. Reduction in complexity and modularity are desirable characteristics for the multilevel inverters. Open-end winding Induction Motor (IM) drive configurations are shown to have advantages over the motor drive schemes with isolated neutral. The DC-link requirement in case of open-end winding structures comes down to half the voltage rating of the conventional NPC inverters. The DC- link requirement in case of open-end winding structures comes down to half compared to that of the conventional NPC inverters. The number of switching states is higher in the case of open-end winding configuration compared to multiplicity of switching states of conventional NPC inverters, which gives a control flexibility that can be used for optimizing the hardware requirements. Taking advantage of the flexibility given by open-end winding configuration, this thesis proposes schemes which have reduced power circuit complexity. Non-sinusoidal voltage fed IM drives suffer from the problems related to the common mode voltage (CMV) generated by the inverters. This CMV causes bearing currents and shaft voltages which in turn cause increased conducted EMI, ground loop currents and premature bearing failure. A three-level scheme was proposed for an open-end winding Induction machine in the literature, which completely eliminate the CMV variation from the pole voltages as well as the phase voltages. This configuration uses 24 controlled switches and two isolated DC-sources. In this thesis, three-level inverter schemes with CMV elimination and reduced power device count for an open-end winding IM drive are proposed. The first scheme gets the reduction in switch count by sharing the top inverter of the three-level scheme and the second scheme achieves the same by sharing the bottom inverter. This way, the number of controlled switches comes down to 18 from 24. Another problem with multilevel inverters is the large number of isolated DC-sources required to achieve the multilevel inversion. Reducing the number of isolated supplies and using capacitors to split the voltage levels poses the problem of capacitor voltage balancing. A four-level inverter with both CMV elimination and capacitor voltage balancing for an open-end winding IM drive is proposed in this thesis. The motor is fed by two four-level inverters from both the sides. A closed loop capacitor voltage balancing scheme is implemented and the redundancies in the switching states are used for achieving the capacitor voltage balancing and thereby reducing the total number of DC-link to two. The control scheme is independent of the load power factor and maintains the balance in the entire modulation range. A five-level inverter scheme is proposed for an open-end winding IM drive in this thesis. It requires only two isolated DC-sources to achieve the five-level inversion. The motor is fed by one NPC three-level inverter from one side and a two-level inverter from the other. The inverters on either side share the DC-sources. Common mode voltage in the phases are made zero in an average sense using sine-triangle modulation in the proposed scheme so that the common mode currents through the phases are suppressed. The maximum fundamental voltage that can be obtained at the phase is limited to 0.5Vdc. DC-link requirement of the inverter scheme is half of that of conventional five-level inverter scheme because of the open-end winding structure. The two-level inverter, which should withstand half the DC-link voltage, is always in square wave operation and hence the switching losses are very less. All the schemes are simulated extensively in MATLAB/Simulink and experimentally verified on laboratory prototypes under V/f control. TI Motor control DSP and Xilinx CPLD/FPGA are used for generation of the PWM signals for the schemes. The inverters are switched at around 1.25 kHz to keep the switching losses low. Due to laboratory constraints, the experimental verification is done on low power prototypes. Nonetheless, the generality of the schemes allow them to be used for medium voltage high power applications.

In order to design a power transformer it is important to understand its internal electromagnetic behaviour. That can be obtained by measurements on physical transformers, analytical expressions and computer simulations. One benefit with simulations is that the transformer can be studied before it is built physically and that the consequences of changing dimensions and parameters easily can be assessed. In this thesis a time-domain transformer model is presented. The model includes core phenomena as magnetic static hysteresis, eddy current and excess losses. Moreover, the model comprises winding phenomena as eddy currents, capacitive effects and leakage flux. The core and windings are first modelled separately and then connected together in a composite transformer model. This results in a detailed transformer model. One important result of the thesis is the feasibility to simulate dynamic magnetization including the inhomogeneous field distribution due to eddy currents in the magnetic core material. This is achieved by using a Cauer circuit combined with models for static and dynamic magnetization. Thereby, all magnetic loss components in the material can be simulated accurately. This composite dynamic magnetization model is verified through experiments showing very good correspondence with measurements. Furthermore, the composite transformer model is verified through measurements. The model is shown to yield good correspondence with measurements in normal operation and non-normal operations like no-load, inrush current and DC-magnetization. / QC20100708