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Analysis, diagnosis and energy optimization of an electrical motor fleet on industrial plant.
No full textLes moteurs électriques sont responsables de 67% de la consommation d’électricité dans l’industrie. Remplacer les moteurs installés par des entrainements plus efficients requiert de statuer sur leur adéquation avec les charges qu’ils entrainent. Une contrainte forte est de les analyser « on-line » et sans mesures intrusives ni consignations des installations.Cette thèse répond à un triple objectif. Premièrement, un dispositif de diagnostic « non-invasif » facilement intégrable en milieu industriel a été développé avec quatre méthodes d’évaluation du niveau de charge des moteurs asynchrones directement connectés au réseau. Deux de ces méthodes, existantes et basées sur la mesure du courant et du flux magnétique de dispersion, font l’objet d’améliorations significatives qui les portent à un niveau TRL7. Les deux autres méthodes exploitent la mesure seule du flux de dispersion. Leur applicabilité est vérifiée pour une alimentation par un système de tensions, équilibré ou non, avec des variations permanentes ou aléatoires. Une étude plus exploratoire montre que l’estimation non-invasive du courant absorbé par les machines asynchrones alimentées par convertisseurs électroniques est possible par exploitation du flux rayonné. Deuxièmement, le dispositif de diagnostic énergétique et des algorithmes de recherche de motorisation adaptée à un cycle de fonctionnement défini ont été appliqués à des exemples concrets d’optimisation énergétique sur un site industriel très énergivore, une aluminerie. Troisièmement, cette étude propose une réflexion sur la gestion d’un parc moteurs et, notamment, sur l'analyse des performances des moteurs neufs comparés à ceux ayant subi un rebobinage.In the industry, electrical motors are responsible for 67% of electricity consumption. Replacing installed motors by more efficient ones requires the knowledge of their suitability with the loads that they drive. Analyzing the load variations without intrusive measurements or installations consignments is a strong constraint.That is why this thesis has a threefold purpose. Firstly, a “noninvasive” diagnostic device has been developed with four methods for evaluating the load of grid-connected induction motors. Two of these methods, based on the measurement of the current and the magnetic stray flux, have been significantly improved up to TRL7. The two other methods exploit only the measurement of the stray flux. Their applicability is checked for balanced and unbalanced supply voltage systems with permanent or random variations. A more exploratory study shows that the noninvasive estimation of the current for inverter-fed induction machines is possible using the radiated external flux. Secondly, the energy diagnosis device and search algorithms adapted to an operating cycle motorization have been applied to practical examples of energy optimization in an electro-intensive industrial plant, an aluminum smelter. Thirdly, a reflection on the management of a motor fleet is proposed, in particular, on the performance analysis between new motors and rewounded ones
A new Basis for the Efficient Simulation of Switch-mode Power Converters Using Multirate Partial Differential Equations
No full textNon-invasive methods for fault diagnosis and thermal analysis on salient pole synchronous machines
No full textCe travail a pour objectif de développer des techniques de surveillance non-invasives sur des machines électriques tournantes de sorte que leurs mises en place soient aisées en environnement industriel. A cet effet, deux méthodes indépendantes sont décrites dans ce mémoire : un diagnostic de défaillances électriques dans des alternateurs connectés au réseau et une étude exploratoire afin d'évaluer la température interne de machines électriques industrielles.La première méthode repose sur l'analyse de deux grandeurs physiques : le champ magnétique rayonné à l'extérieur de la carcasse et les vibrations de la machine tournante. Des modèles mathématiques ont été développés afin de corréler des phénomènes magnétiques et mécaniques qui interviennent dans trois états de la machine : sain et en deux défauts de courts-circuits au stator et au rotor. Ces résultats ont ensuite été validés expérimentalement en laboratoire ainsi que sur des machines de grande puissance en environnement industriel. Un prototype de diagnostic capable de réaliser un examen de défaillance de courts-circuits sur des machines à fort courant a été proposé.Dans un deuxième temps, la méthode d'estimation de la température s'appuie sur des constats relatifs à la variation des caractéristiques des matériaux qui composent un enroulement lorsque la température augmente. Ainsi, la localisation des fréquences de résonances de l'impédance sont impactées. Ce dernier constat a été vérifié expérimentalement.Ce travail de thèse a permis de vérifier la faisabilité des méthodes de diagnostic et de surveillance en ligne dans des machines tournantes avec un minimum d'intrusivité, ceci dans un environnement industriel.This work aims to develop non-invasive monitoring techniques on AC rotating machines so that their implementation is easy in an industrial environment. For this purpose, two independent methods are described: a fault diagnosis in alternators connected to the local power gird and an exploratory study to evaluate the internal temperature of AC rotating machines.The first method relies on the analysis of two physical magnitudes: the stray magnetic field radiated outside from the external frame and the vibrations content of machine structure. Mathematical models have been developed in order to correlate magnetic and mechanical phenomena which occur in three different machine states: healthy and in two winding short-circuit faults both in the stator and in the rotor. These results were then validated experimentally in laboratory as well as on large machines in industrial environment. A first diagnostic prototype is presented capable to be implemented in industrial environment in order to detect short-circuit faults in larges alternators.In a second time, a temperature estimation method is proposed based on observations concerning variations in material characteristics of windings as temperature increases. Thus, the localizations of impedance resonant frequencies are impacted, which was verified experimentally as well.This thesis work allowed to verify diagnostic feasibility and on-line monitoring methods in rotating machines in a non-invasive way in industrial environments
Magnetic heterogeneities optimization for power transformers cores ecodesign
No full textLes transformateurs de puissance sont des équipements électriques indispensables des réseaux électriques ou dans les applications ferroviaires. Dans un contexte de transition énergétique, l’accroissement des rendements est un enjeu fondamental. Aussi, la question de la réduction des pertes dans les noyaux magnétiques qui composent ces noyaux se pose, à la fois pour les fabricants de transformateurs ou que d’aciers électriques. Si l’utilisation de tôles de très haute qualité permet de réduire les pertes par hystérésis ou courants de Foucault, il s’agit, sur un marché très concurrentiel, de donner aux entreprises prenant part à la fabrication de ces dispositifs, comme thyssenkrupp Electrical Steel, des pistes leur permettant de réduire les coûts de fabrication et environnementaux. Ce travail a donc pour objectif de trouver des voies de minimisation des pertes en mélangeant, au cœur du même noyau, plusieurs nuances d’aciers à grains orientés ayant des caractéristiques magnétiques (courbes de première aimantation, pertes et induction à saturation) différentes. Des essais expérimentaux ont été menés sur des noyaux simplifiés et sur des circuits magnétiques réalistes plus proches de réalisations industrielles. Les résultats expérimentaux appuyés par des modélisations numériques de type éléments finis ont permis de mettre en évidence que l’évolution des pertes en fonction de la proportion de chaque nuance n’est pas linéaire, ce qui ouvre la voie à des optimisations du rapport coût/performance du noyau. De plus, pour une proportion donnée de chaque nuance, il a été montré que l’agencement des nuances dans l’empilement doit être finement choisi car son impact sur les pertes ou puissances apparentes globales est prépondérant. Les simulations numériques ont aussi permis, d’une part, de déterminer la possibilité d’utiliser des modèles simplifiés 2D pour caractériser le comportement des coins de noyaux et, d’autre part, d’analyser l’impact potentiel des caractéristiques des nuances dans la direction transverse sur le comportement énergétique global du noyau.Power transformers are essential electrical devices in electrical grid or in railway applications. In a context of energy transition, the efficiency increase remains a challenge, especially for apparatus with high performance. So, reducing the losses in the magnetic cores which compose these transformers is still studied by the manufacturers of transformers or electric steel. If the use of very high quality steel laminations makes it possible to reduce the hysteresis and eddy currents losses, solutions and ways have to be found, in a very competitive market, for companies like thyssenkrupp Electrical Steel, to reduce the costs of their products and their environmental impact. Thus, the objective of this thesis is to investigate some ways of loss minimization by mixing, in the same core, several grades of magnetic materials, having different characteristics (BH curves, iron losses, saturation flux density). Experimental tests were done on simplified magnetic cores and on more realistic cores from an industrial point of view. The experimental results strengthened by numerical simulations in 2D and 3D have shown that losses variation with the proportion of each grades is not fully linear, giving some opportunities to optimize the cost/losses ratio. For a defined proportion of these grades, the layout of the grades has been studied and the impact on the iron losses and on the apparent power has been quantified. The numerical modelling has also make it possible to characterize the behavior of magnetic core corners and, then, to analyze the potential impact on the global losses of the steel characteristic in the transverse direction
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Electromagnetic subdomain modeling technique for the fast prediction of radial and circumferential stress harmonics in electrical machines
No full textLa présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physique basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&VThe presence of magnetic stress harmonics inside the electrical machine is generally responsible for vibrations and acoustic noise generation. This phenomenon is called e-NVH (Noise, Vibrations and Harshness due to electromagnetic excitations) and has to be considered in the machine design to meet with NVH standard requirements, especially in automotive applications. The e-NVH assertion requires a multiphysics simulation including electromagnetic, mechanical and acoustic models, which must be fast and accurate especially for early design stages. This industrial PhD thesis takes part of the internal research program of EOMYS ENGINEERING company, which develops and commercializes MANATEE software, dedicated to the e-NVH simulation of electrical machines. In this modeling context, the present thesis investigates and extends the semi-analytical electromagnetic model, called Subdomain Method (SDM), for the computation of two-dimensional airgap magnetic stress harmonics in various topologies of electrical machines, mainly focusing on Surface Permanent Magnet Synchronous Machines (SPMSMs) and Squirrel Cage Induction Machines (SCIMs). The thesis also investigates two scientific open questions concerning the contribution of circumferential excitations to the overall vibration level and the slotting modulation effect, which appears in electrical machines with a close number of poles and teeth. For this purpose, an experimental test rig including a particular noisy machine (a SPMSM with 12 slots and 10 poles) and appropriate sensors has been designed and built. The test rig also aims at benchmarking the different multiphysics models currently used in e-NVH simulation workflo
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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