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This thesis details the design of a 48V/1500 RPM synchronous reluctance motor (SRM) for automotive applications. The goal is to use the machine in an Organic Rankine Cycle for the waste heat recovery on heavy duty vehicles. This could be a way to retrofit existing vehicle enhancing their efficiency thus reducing fuel consumption and environmental pollution. This electrical machine SRM has robust and simple rotor structure, utilizes low cost material and is tolerant to hostile environment and has relatively low switching frequency. The goal of the project is to analyze the thermal behavior at different spots of the SRM using the thermal analysis software Motor CAD. The same software was used to design of the machine, optimization and verifications of the motor performance. An extensive sensitivity analysis was done using the tools available in the Motor CAD simulation platform. Based on the simulation of Organic Rankine Cycle we wanted to see the power losses of the motor in temperature profile during the iterations in Matlab.

The objective of this thesis was the development of a new detection method of partial discharge (PD) activity in the stator of an electrical hybrid supercar fed by a silicon carbide converter, for which detection with common methods make it very difficult to separate PD pulses from switching noise. This work focused on the analysis and detection of partial discharges making use of an antenna, a peak detector, and an oscilloscope capable of capturing the electromagnetic pulses emitted during PD activity. Validation of the proposed method was done by comparing the partial discharge inception voltage (PDIV) detected by this system with the one obtained from an optical method of proven accuracy, with different rise times and samples. Further development of this method, if proved successful on a full stator, can help increasing the overall reliability of the car, potentially allowing for real time detection of PD activity and predictive maintenance before failure of the insulation system in a hybrid vehicle.

Negli ultimi anni l’impiego sempre più diffuso di energie rinnovabili e la necessità di una rete sempre più robusta ed interconnessa ha reso fondamentale l’impiego di linee in HVDC. All'interno di queste linee i componenti più soggetti a guasti sono giunti e terminali, i quali presentano una zona particolarmente critica: la zona interfacciale. Quest’ultima è soggetta ad un elevato campo elettrico tangenziale, il quale cambia la sua distribuzione a seconda di vari fattori. Questo lavoro ha dunque come obiettivo quello di indagare a fondo su tale zona, per scoprirne i meccanismi di guasto e per trovare dei marker diagnostici per poter perfezionare il design dei giunti e monitorare il loro stato. L'analisi è stata svolta utilizzando elettrodi con profilo Rogowski sputterati su dei fogli di XLPE ed inseriti in apposite presse meccaniche. Sono state svolte due tipologie di prove: una in cui si è misurata la conducibilità dei provini a vari campi elettrici e una in cui si è monitorato la carica di spazio accumulata all’interno dei provini; l’attività di scariche parziali è stata monitorata durante entrambe le prove. Tra i possibili marker diagnostici di pre-breakdown non è stata rilevata l’utilità del monitoraggio di scariche parziali, che sembrano poter essere escluse dai meccanismi di guasto. Si nota d’altro canto un importante contributo della ridistribuzione di carica all’interno del provino, che deforma notevolmente il campo elettrico al suo interno, ed è responsabile di un forte aumento di conducibilità qualche ora prima del breakdown; venendo quindi proposto come possibile parametro di monitoraggio.

This research aims to analyze the critical points of the inverter-to-machine chain used in the actuation system of MEA. To analyze the critical points, it is necessary to investigate the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) of the printed circuit board (PCB, representative models of the high voltage part terminal part of the inverter) by considering the effects of aerospace conditions like pressure, temperature, and humidity. Also, the endurance tests of twisted pairs (TPs, representative models of the turn/turn insulation) at aerospace conditions is investigated. This is necessary to assess the life of the machine when it is stressed by repetitive square wave/sinusoidal AC voltages. These experiments help to find the proper way to design and qualify MEA actuators. In this research, the effect of AC voltages, space charges at DC, temperature, pressure, and converter waveforms have been analyzed on different PCB models. Results show that an increased temperature decreases the PDIV and a reduction of PDIV is observed also due to a reduction of pressure. It is also analyzed that space charges play an important role in the measurement of PDIV at DC. Finally, the effect of converter waveforms supplied by SiC is analyzed, where it is observed that there is an 8% increase of PDIV as compared to the PDIV in AC. After these entire tests, it is concluded that the HV terminal part is not critical in the sense of PD occurrence. After the inverter part, the behavior of turn/turn insulation when it is continuously stressed by repetitive square wave/ AC 50 kHz voltages above PDIV has been analyzed. The results obtained from both the supplies are compared with each other to understand the effect of supply type and frequency on the endurance, finally, the effect of humidity on the endurance of the twisted pairs has been analyzed. It is observed after all these endurance tests that the corona-resistant wire cannot endure PD for a long time in aerospace conditions.

I polimeri sono largamente utilizzati in diverse branche dell’ingegneria per le proprietà dovute alla composizione strutturale del materiale, la quale gli conferisce diverse caratteristiche e che consente loro di assolvere ai più svariati compiti. Le resine epossidiche, un tipo di polimero reticolato, sono largamente utilizzate nell’industria della microelettronica come incapsulanti per i circuiti integrati. L’aumento sempre più importante delle potenze in gioco in questo campo fa sì che si ricerchino dei materiali dielettrici sempre più performanti e capaci di resistere a sempre più importanti sollecitazioni di natura elettrica e termica. In particolare, in questo lavoro il processo di caratterizzazione si è concentrato sul definire le proprietà e il comportamento di due molding compound di resina epossidica sottoposte ad un ampio range di tensioni. La metodologia di analisi si è basata sull’effettuare tre tipologie di prove non distruttive: spettroscopia dielettrica, prove di conducibilità e test dell’impulso elettroacustico. Per mezzo della spettroscopia dielettrica si è determinata la permettività dielettrica dei due molding compound. Con le prove di conducibilità si è visualizzato il comportamento a bassi campi, calcolando i rispettivi valori di resistività e costanti di tempo. Infine, per mezzo della prova di impulso elettroacustico si è osservato il comportamento ad alti campi, determinando la tendenza all’accumulo di carica e i valori di soglia ai quali si iniziano a manifestare le prime scariche parziali. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per simulare il comportamento di semplici sistemi isolanti mediante il software TCAD.

HVDC cable systems are widely used in modern transmission networks. This project investigates the dielectric withstand properties of the interfaces existing in the accessories (joints, termination). Interfaces are a weak point as cavities exist at the contact between the cable and the accessory body. Interfaces have been studied as the mating of two elastic surfaces using elastic-plastic mechanics. Their withstand properties are greatly improved by using rubbery material (e.g., silicon rubber) and oiling the surfaces as the number and size of the cavities is reduced. However, thermal aging of the surfaces (with loss of elasticity) and the migration of the lubricant might lead to conditions where the interfaces are again the weak link of the system. The goal of this thesis is to understand breakdown mechanisms of XLPE/XLPE and XLPE/LDPE interfaces through the analysis of partial discharges, space charge accumulation and leakage current measurement. Space charge is measured through the Thermal Step and the Pulsed Electro-Acoustic methods (TSM and PEA). TSM highlights that there exists a critical voltage at which the space charge shifts from homo- to hetero-charge. The conductivity characteristics of the XLPE insulation of HVDC cable are investigated under different applied mechanical stress and the breakdown voltage which could be affected by crosslinking byproducts within the insulation of the material. Partial Discharge is a key tool to ensure the reliability and life extension of High Voltage electrical equipment. For cable interfaces, it is generally assumed that surface partial discharges create carbonized tracks at the contact between the cable insulation and the accessory body leading to breakdown. In this thesis, it was not possible to reproduce this condition. Breakdown occurred through a mechanism that remains to be unraveled. A possible connection with the shifts mentioned above, from homo to hetero charge at the interface, seems to exist.

La necessità di questi studi nasce dalla volontà di sostituire con un generatore elettrico i sistemi pneumatici che utilizzano l’aria compressa prodotta dalle turbine. Il vantaggio di questa configurazione, che apparentemente spreca energia, è che la turbina aumenta il proprio rendimento. Inoltre, il sistema di spillamento è molto complesso e richiede un elevato livello di manutenzione. La soluzione viene indicata come More Electric Aircraft, “MEA”. L’utilizzo di attuatori elettrici comporta la presenza di un materiale isolante che, a causa della sua natura organica, è maggiormente sensibile all’azione delle scariche parziali, PD. Da ciò nasce la necessità di approfondire i valori di innesco di tali scariche, PDIV. Tramite lo studio effettuato e le prove compiute è stato possibile determinare un modello che permette di calcolare la tensione di innesco delle PD in funzione di temperatura e pressione fino a 100 mbar. Utilizzando due diversi campioni, motorette e twisted pair, sono state condotte prove sia a pressione ambiente che ridotta a 100mbar, così da simulare la pressione ad elevate altitudini. Per emulare le frequenze e i bassi rise-time tipici dei convertitori utilizzati in tale ambito, è stata allestita una gabbia di prova con la presenza di generatori ad alta tensione e inverter con tecnologia silicone carbide (SiC) in grado di arrivare a frequenza di 100 kHz. I risultati ottenuti chiariscono comportamenti inerenti alle dipendenze delle PDIV rispetto vari fattori: pressione, frequenza, rise-time, umidità, stress termo-meccanici (dovuti alle variazioni repentine delle temperature di funzionamento), resina utilizzata, invecchiamento. Questa tesi fornisce pertanto strumenti per la comprensione dei fenomeni che interessano l’affidabilità di un sistema isolante soggetto a impulsi di tensione ad elevato slew rate e frequenza operanti in condizioni atmosferiche tipiche del MEA.

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’u

In this thesis the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) of Twisted Pairs (TP, representative models of the turn/turn insulation) is investigated, trying to unveil the effect of ambient conditions like pressure, temperature and humidity and the effect of wide bandgap (WBG) converters on it. This is the first step to find qualification methods for More Electric Aircraft actuators fed by WBG converters. A setup for PDIV tests at different pressure and temperature levels has been built. A suite of applications in MATLAB to perform acquisitions and automatic tests has been coded, it takes advantage of a photomultiplier tube for optical detection of the discharges. The optical detection in a dark environment has demonstrated to be as sensitive as a commercial PD detection instruments and free from the electrical noise of the converter. The humidity and temperature coupled effects have been investigated at ambient pressure, finding that an increase in relative humidity or temperature decreases the PDIV, but possible changes in the insulation permittivity and the confirmed presence of free charges on the surface of twisted pair renders difficult to model the phenomena. The effect of coupled temperature and pressure changes have been investigated, finding that PDIV highly decreases when the pressure is increased and that a Paschen-Like law doesn't model properly the phenomenon at very low pressures where a plateau forms instead of a minimum. Temperature increase and pressure decrease both act on the density of the air, lengthen the mean free path of the electron and reducing the electric field needed for the ionization. A SiC unipolar converter has been used to test the effect of the switching frequency on the PDIV, no impact has been found.

L’obiettivo del lavoro di tesi è la realizzazione di una simulazione avanzata agli elementi finiti su un isolatore passante in tecnologia R.I.P. (Resin Impregnated Paper) per verificare se la variazione dei parametri resistivi del materiale con la temperatura e con il campo elettrico abbia un effetto significativo sui parametri termici dei componenti in esercizio. Per isolatore passante si intende un dispositivo atto ad isolare un conduttore percorso da corrente dal mezzo attraverso il quale passa (trasformatore). La tesi è stata sviluppata in più fasi: nella prima parte, sperimentale, ha avuto luogo la caratterizzazione elettrica del materiale isolante formato da strati di carta impregnata in resina epossidica. Nella seconda parte, i dati sviluppati a seguito delle misurazioni, sono stati inseriti in una simulazione elettro-magneto-termica. Le misure sperimentali hanno coinvolto due ambiti: conducibilità e scariche parziali, mentre la simulazione è stata effettuata con il software Infolytica. Inizialmente sono state calcolate le perdite ohmiche dovute al passaggio di corrente nel conduttore, successivamente è stato calcolato il profilo di temperatura lungo l’intero dispositivo utilizzando come termine di sorgente termica il risultato della prima simulazione. Infine è stato determinato il profilo termico accoppiando simultaneamente i tre simulatori MagNet, Thermnet ed ElecNet appartenenti al pacchetto Infolytica. I risultati ottenuti sono stati validati mediante confronto con prove sperimentali, e sono risultati soddisfacenti.

Oggetto della tesi è stato la realizzazione di un sistema per la spettroscopia dielettrica. In particolare il sistema è in grado, con l'utilizzo di una cella di prova realizzata seguendo la norma CEI 10-9, di eseguire misure di grandezze dielettriche su un qualsiasi isolante fluido a diverse temperature in maniera del tutto autonoma. Le principali grandezze misurate sono il fattore di dissipazione, la costante dielettrica complessa, nella sua parte reale e immaginaria, e la conducibilità. Come dielettrico di prova è stato preso un nanofluido realizzato addittivando nanoparticelle di magnetite a una base di olio minerale. Sono stati realizzati nanofluidi a diverse concentrazioni di nanoparticelle sui quali sono state realizzate le stesse prove a tre temperature diverse, 40,60 e 80 gradi, ai fini di confrontare i risultati ottenuti tra loro. Sono state fatte le stesse prove anche sull'olio di base come ulteriore confronto. Nella tesi è stata trattata la teoria relativa ai dielettrici e ai nanofluidi nei primi due capitoli mentre negli ultimi due è stata descritta la procedura di realizzazione pratica del sistema di misura, la realizzazione del software utilizzato e infine la discussione dei risultati ottenuti.

A partire da una cella di misura presente in laboratorio è stato creato un sistema completo per la spettroscopia dielettrica applicata ad isolanti fluidi di origine vegetale. Il sistema, composto da una parte fisica che ha lo scopo di raggiungere una temperatura desiderata ed una parte software implementata in ambiente LabView che controlla il generatore di potenza ed il Dielectric Analyzer, può essere sfruttato anche per altri tipi di isolanti liquidi come ad esempio i nanofluidi. I risultati determinabili con esso su un estere corrispondono ai risultati presenti in letteratura confermando quindi la riuscita realizzazione e funzionamento del sistema ideato.

Le apparecchiature di manovra tramite isolamento a gas (GIS) sono in funzione da più di 45 anni e hanno dimostrato un alto livello di affidabilità, con tassi di difetto molto bassi. Tuttavia, il riscontro pratico indica che alcuni dei guasti che si verificano durante il servizio sono legati a difetti del sistema di isolamento. Molti di questi difetti possono essere rilevati tramite diagnostica con scariche parziali (PD). Per la rilevazione PD, viene utilizzato il metodo UHF perché meno sensibile ai disturbi e quindi più facile da gestire in confronto al metodo convenzionale secondo IEC 60270. Un rapporto di Electra pubblicato nel 1999 dal CIGRE Task Force 15/33.03.05 descrive la procedura in due fasi per la verifica della sensibilità del sistema UHF in modo molto generale. Dopo 15 anni dalla sua applicazione, è diventata necessaria una descrizione più dettagliata, sia su misure necessarie al test di laboratorio (Passaggio 1) che sul test in loco (Passaggio 2).

Studio della crescita della scarica elettrica nei gas a bassa pressione con trattazioni teoriche, risultati sperimentali e rimandi ai principali studi sull'argomento. Indice: 1 Introduzione 2 Breakdown nei Gas a Bassa Pressione 2.1 Criterio di Townsend e Legge di Paschen 2.2 Tensione di Breakdown in Campi Uniformi 2.3 Scostamenti dalla Legge di Paschen 2.4 Breakdown in Campi Non Uniformi 2.5 Time Lags per il Breakdown 2.6 Breakdown nel Vuoto 2.7 Scariche Intermittenti post-Breakdown 3 Breakdown nei Contatori Geiger 3.1 Contatori Geiger 3.2 Conteggio Proporzionale 3.3 Conteggio Non-Proporzionale 3.4 Propagazione della Scarica A Sviluppi Successivi

Sono stati introdotti i principali fluidi isolanti utilizzati in elettrotecnica, differenziandoli per strutture molecolari e proprietà dielettriche e spettroscopiche caratteristiche. Sono stati analizzati i diversi meccanismi di polarizzazione elettrica, polarizzabilità delle molecole e modelli di campo in un dipolo molecolare proposti da alcuni ricercatori ed analizzate le perdite dielettriche che compaiono negli oli isolanti elettrici principali, suddividendole per perdite dipolari, da cui il confronto fra diversi modelli teorici, e perdite dovute alla conduzione ionica di portatori di carica mobili.

La forte espansione del mercato della mobilità elettrica degli ultimi anni ha portato sotto i riflettori nuove esigenze, tecnologie e problematiche per il Power Train di questi veicoli. L’attenzione all’affidabilità del motore elettrico è ormai al pari di quella verso prestazioni, efficienza e costi. Al fine di garantire una vita utile al motore congrua con quella del veicolo, che si attesta tra mediamente tra i 5 e i 10 anni, è necessario conoscere attentamente quali sono le criticità del sistema isolante (EIS) della macchina. All’interno di questo ambito, questa tesi si è concentrata sull’analisi dei diversi componenti che costituiscono l’EIS dello statore di un motore elettrico impiegato in una super car ibrida. Il primo passo è stato caratterizzare i sottocomponenti dello statore, a partire dai fili (Litz Wires) con cui sono realizzati i suoi avvolgimenti. I tempi di endurance dei fili sotto attività di scarica parziale (PD) nell'ordine dei minuti hanno dimostrato la necessità di operare in assenza di scariche. Per questo motivo è stato studiato l'andamento del PDIV sotto diverse forme d'onda e per provini invecchiati termicamente. Lo studio è stato poi esteso allo statore completo, sottoponendo l’EIS a cicli di invecchiamento, al fine di diagnosticare, attraverso prove elettriche, se le sue prestazioni restano accettabili per l’interezza della vita prevista dall’applicazione. In conclusione, sono state trattate le problematiche della qualifica dell’EIS completo di un motore elettrico. È stata proposta una soluzione per realizzare un sistema idoneo a sottoporre lo statore da invecchiare a stress elettrico e termico contemporaneamente. Gli studi effettuati in merito hanno dimostrato la fattibilità ed i benefici di questo sistema, permettendo di rispecchiare al meglio le condizioni di servizio della macchina, con l’obiettivo di perfezionare le attuali procedure di qualifica.

Nell'elaborato è stata disegnata una cava statorica di un motore hairpin. Con l'ausilio di Comsol sono state fatte simulazioni elettrostatiche, magnetiche e termiche. Lo scopo del lavoro era ottenere il valore del PDIV. Gli scenari analizzati sono stati 3 ed in ognuno si ottiene un valore accettabile dalle norme (60034-18-41). Altri software per la validazione del modello: Matlab e Simulink.

The performance and dependability of their motor systems have received a lot of attention as a result of the rapid expansion of electric cars . The effect of lubricants on the motors' electrical insulation is an important consideration. This study attempts to evaluate how lubricants affect the electrical insulation of EV motors. The evaluation starts by determining if lubricants and insulating materials including varnishes, resins, and coatings are chemically compatible. To ascertain whether the lubricants can degrade or damage the insulating qualities of the motor, compatibility testing and evaluation methods are used.Evaluations of the insulating resistance before and after lubricant exposure are done using a variety of techniques, such as material analysis and performance testing.The study also explores the potential effects of lubricant impurities on insulating components. Lubricants may introduce foreign substances or particles that might eventually have an impact on how well the insulation performs.Electrical insulation testing is done to determine the effect of lubricants, considering factors including insulation resistance, dielectric strength, and insulation ageing. By assessing the performance of motors subjected to various lubricants or lubrication regimes, comparative analysis is carried out.To simulate long-term exposure and evaluate the stability and endurance of the insulation system under the influence of lubricants, accelerated ageing tests may also be used. The results of this study will give important new information about how lubricants affect the electrical insulation in EV motors. The findings will aid producers, engineers, and researchers in making well-informed judgements about lubricant selection and upkeep procedures to enhance motor performance and guarantee long-term reliability. Ultimately, by improving knowledge of lubricant-insulation interactions in motor systems, this study advances the technology of electric vehicles.

This thesis provides a comprehensive guide to asset management and condition-based maintenance, with a special emphasis on partial discharges. The dissertation opens with an overview of asset management and condition-based maintenance, highlighting their significance in maintaining the effective and efficient operation of electrical assets. The definition, types, and sources of partial discharges, as well as their effects on equipment and methods for detecting them, are all covered throughout the following chapter. The dissertation enters into normative IEC 60270, which offers instructions for taking partial discharge measurements and interpreting them. This chapter discusses the fundamentals of the standard, its scope, terminologies, and definitions, as well as the advantages it offers in ensuring the safe and reliable performance of electrical equipment. The cloud computing topic is covered in detail in the next chapter, along with an overview of the technology's uses in asset management and maintenance. The chapter describes how cloud computing can be used to gather and analyse data from multiple sources, including sensors and other monitoring devices, to offer insightful information about the condition of electrical assets. The next section of the thesis examines clustering, a potent method for combining related data points in data analysis. The chapter discusses the various clustering algorithms and how they are used to partial discharge data. The thesis concludes with a research example illustrating the advantages of clustering partial discharge data sets in the cloud. The case study demonstrates how clustering may be used to find patterns and anomalies in partial discharge data, giving insight into the condition of electrical assets and enabling better maintenance decisions.

Given the rise in the emergence of new composite materials, their multifunctional properties, and possible applications in simple and complex structural components, there has been a need to unravel the characterization of these materials. The possibility of printing these conductive composite materials has opened a new area in the design of structural components which can conduct, transmit, and modulate electric signals with no limitation from complex geometry. Although several works have researched the behaviour of polymeric composites due to the immediate growth, however, the electrothermal behaviour of the material when subjected to varying AC applied voltage (Joule’s effect) has not been thoroughly researched. This study presents the characterization of the electrothermal behaviour of conductive composites of a polylactic acid matrix reinforced with conductive carbon black particles (CB-PLA). An understanding of this behaviour would contribute to the improved work in additive manufacturing of functional electro-mechanical conductive materials with potential application in energy systems, bioelectronics, etc. In this study, the electrothermal interplay is monitored under applied AC voltage, varying lengths, and filament printing orientations (longitudinal, oblique, and transverse). Each sample was printed using the fused deposition modeling technique such that each specimen has three different lengths (1L, 2L, 2.75L). To this end, deductions were made on properties that affect composite’s efficiency and life expectancy. The result of this study shows a great influence of printing orientation on material properties of 3D printed conductive composites of CB-PLA. The result also identifies the contribution of AC applied voltage to composites' stabilization time. This knowledge is important to provide experimental background for components' electrothermal interplay, estimate possible degradation and operating limits of composite structures when used in applications.

L’affidabilità e la diagnostica sono tematiche che hanno sempre ricoperto un ruolo di fondamentale importanza in ambito elettrico. Il frenetico sviluppo che sta vivendo il settore della trazione elettrica dovuto alle restrizioni introdotte dall’UE sulle emissioni di CO2 ha ulteriormente incrementato la necessità di avere componenti sempre più performanti e affidabili. Questa tesi si concentra su una delle problematiche che interessano un motore elettrico: le scariche parziali. L’obiettivo di questo progetto è proporre un metodo innovativo per la rilevazione di scariche parziali che sfrutta le emissioni elettromagnetiche prodotte dalle scariche stesse. La novità rispetto ai tradizionali metodi è la possibilità di eseguire misure anche mentre il motore è in funzione. Il caso di riferimento è quello di un banco motore ma il metodo proposto, se correttamente validato potrà essere impiegato a bordo veicolo in un contesto di normale funzionamento. I principali dispositivi che compongono il sistema di misura presentato sono: un’antenna log-periodica con banda di lavoro 500MHz a 3GHz, un rilevatore di picco LTC5564 adatto per lavorare a radio frequenze ed un oscilloscopio USB. L’antenna rileva le onde elettromagnetiche prodotte dalle scariche parziali. Il rilevatore di picco, dispositivo la cui uscita è proporzionale all’ampiezza del segnale d’ingresso, fornisce un segnale con spettro in frequenza ridotto rispetto all’originale. L’ oscilloscopio digitale (Picoscope), più economico rispetto ai tradizionali oscilloscopi, consente infine l’acquisizione dei segnali. Le principali “tappe” dello sviluppo del nuovo sistema sono state: la caratterizzazione delle onde elettromagnetiche emesse dalle scariche parziali; il miglioramento del rapporto segnale/rumore; la programmazione di un’interfaccia utente.

La forte espansione del mercato della mobilità elettrica degli ultimi anni ha portato sotto i riflettori nuove esigenze, tecnologie e problematiche per il Power Train di questi veicoli. L’attenzione all’affidabilità del motore elettrico è ormai al pari di quella verso prestazioni, efficienza e costi. Al fine di garantire una vita utile al motore congrua con quella del veicolo, che si attesta tra mediamente tra i 5 e i 10 anni, è necessario conoscere attentamente quali sono le criticità del sistema isolante (EIS) della macchina. All’interno di questo ambito, questa tesi si è concentrata sull’analisi dei diversi componenti che costituiscono l’EIS dello statore di un motore elettrico impiegato in una super car ibrida. Il primo passo è stato caratterizzare i sottocomponenti dello statore, a partire dai fili (Litz Wires) con cui sono realizzati i suoi avvolgimenti. I tempi di endurance dei fili sotto attività di scarica parziale (PD) nell'ordine dei minuti hanno dimostrato la necessità di operare in assenza di scariche. Per questo motivo è stato studiato l'andamento del PDIV sotto diverse forme d'onda e per provini invecchiati termicamente. Lo studio è stato poi esteso allo statore completo, sottoponendo l’EIS a cicli di invecchiamento, al fine di diagnosticare, attraverso prove elettriche, se le sue prestazioni restano accettabili per l’interezza della vita prevista dall’applicazione. In conclusione, sono state trattate le problematiche della qualifica dell’EIS completo di un motore elettrico. È stata proposta una soluzione per realizzare un sistema idoneo a sottoporre lo statore da invecchiare a stress elettrico e termico contemporaneamente. Gli studi effettuati in merito hanno dimostrato la fattibilità ed i benefici di questo sistema, permettendo di rispecchiare al meglio le condizioni di servizio della macchina, con l’obiettivo di perfezionare le attuali procedure di qualifica.

This thesis details the design of a 48V/1500 RPM synchronous reluctance motor (SRM) for automotive applications. The goal is to use the machine in an Organic Rankine Cycle for the waste heat recovery on heavy duty vehicles. This could be a way to retrofit existing vehicle enhancing their efficiency thus reducing fuel consumption and environmental pollution. This electrical machine SRM has robust and simple rotor structure, utilizes low cost material and is tolerant to hostile environment and has relatively low switching frequency. The goal of the project is to analyze the thermal behavior at different spots of the SRM using the thermal analysis software Motor CAD. The same software was used to design of the machine, optimization and verifications of the motor performance. An extensive sensitivity analysis was done using the tools available in the Motor CAD simulation platform. Based on the simulation of Organic Rankine Cycle we wanted to see the power losses of the motor in temperature profile during the iterations in Matlab.

The objective of this thesis was the development of a new detection method of partial discharge (PD) activity in the stator of an electrical hybrid supercar fed by a silicon carbide converter, for which detection with common methods make it very difficult to separate PD pulses from switching noise. This work focused on the analysis and detection of partial discharges making use of an antenna, a peak detector, and an oscilloscope capable of capturing the electromagnetic pulses emitted during PD activity. Validation of the proposed method was done by comparing the partial discharge inception voltage (PDIV) detected by this system with the one obtained from an optical method of proven accuracy, with different rise times and samples. Further development of this method, if proved successful on a full stator, can help increasing the overall reliability of the car, potentially allowing for real time detection of PD activity and predictive maintenance before failure of the insulation system in a hybrid vehicle.

Negli ultimi anni l’impiego sempre più diffuso di energie rinnovabili e la necessità di una rete sempre più robusta ed interconnessa ha reso fondamentale l’impiego di linee in HVDC. All'interno di queste linee i componenti più soggetti a guasti sono giunti e terminali, i quali presentano una zona particolarmente critica: la zona interfacciale. Quest’ultima è soggetta ad un elevato campo elettrico tangenziale, il quale cambia la sua distribuzione a seconda di vari fattori. Questo lavoro ha dunque come obiettivo quello di indagare a fondo su tale zona, per scoprirne i meccanismi di guasto e per trovare dei marker diagnostici per poter perfezionare il design dei giunti e monitorare il loro stato. L'analisi è stata svolta utilizzando elettrodi con profilo Rogowski sputterati su dei fogli di XLPE ed inseriti in apposite presse meccaniche. Sono state svolte due tipologie di prove: una in cui si è misurata la conducibilità dei provini a vari campi elettrici e una in cui si è monitorato la carica di spazio accumulata all’interno dei provini; l’attività di scariche parziali è stata monitorata durante entrambe le prove. Tra i possibili marker diagnostici di pre-breakdown non è stata rilevata l’utilità del monitoraggio di scariche parziali, che sembrano poter essere escluse dai meccanismi di guasto. Si nota d’altro canto un importante contributo della ridistribuzione di carica all’interno del provino, che deforma notevolmente il campo elettrico al suo interno, ed è responsabile di un forte aumento di conducibilità qualche ora prima del breakdown; venendo quindi proposto come possibile parametro di monitoraggio.

This research aims to analyze the critical points of the inverter-to-machine chain used in the actuation system of MEA. To analyze the critical points, it is necessary to investigate the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) of the printed circuit board (PCB, representative models of the high voltage part terminal part of the inverter) by considering the effects of aerospace conditions like pressure, temperature, and humidity. Also, the endurance tests of twisted pairs (TPs, representative models of the turn/turn insulation) at aerospace conditions is investigated. This is necessary to assess the life of the machine when it is stressed by repetitive square wave/sinusoidal AC voltages. These experiments help to find the proper way to design and qualify MEA actuators. In this research, the effect of AC voltages, space charges at DC, temperature, pressure, and converter waveforms have been analyzed on different PCB models. Results show that an increased temperature decreases the PDIV and a reduction of PDIV is observed also due to a reduction of pressure. It is also analyzed that space charges play an important role in the measurement of PDIV at DC. Finally, the effect of converter waveforms supplied by SiC is analyzed, where it is observed that there is an 8% increase of PDIV as compared to the PDIV in AC. After these entire tests, it is concluded that the HV terminal part is not critical in the sense of PD occurrence. After the inverter part, the behavior of turn/turn insulation when it is continuously stressed by repetitive square wave/ AC 50 kHz voltages above PDIV has been analyzed. The results obtained from both the supplies are compared with each other to understand the effect of supply type and frequency on the endurance, finally, the effect of humidity on the endurance of the twisted pairs has been analyzed. It is observed after all these endurance tests that the corona-resistant wire cannot endure PD for a long time in aerospace conditions.

HVDC cable systems are widely used in modern transmission networks. This project investigates the dielectric withstand properties of the interfaces existing in the accessories (joints, termination). Interfaces are a weak point as cavities exist at the contact between the cable and the accessory body. Interfaces have been studied as the mating of two elastic surfaces using elastic-plastic mechanics. Their withstand properties are greatly improved by using rubbery material (e.g., silicon rubber) and oiling the surfaces as the number and size of the cavities is reduced. However, thermal aging of the surfaces (with loss of elasticity) and the migration of the lubricant might lead to conditions where the interfaces are again the weak link of the system. The goal of this thesis is to understand breakdown mechanisms of XLPE/XLPE and XLPE/LDPE interfaces through the analysis of partial discharges, space charge accumulation and leakage current measurement. Space charge is measured through the Thermal Step and the Pulsed Electro-Acoustic methods (TSM and PEA). TSM highlights that there exists a critical voltage at which the space charge shifts from homo- to hetero-charge. The conductivity characteristics of the XLPE insulation of HVDC cable are investigated under different applied mechanical stress and the breakdown voltage which could be affected by crosslinking byproducts within the insulation of the material. Partial Discharge is a key tool to ensure the reliability and life extension of High Voltage electrical equipment. For cable interfaces, it is generally assumed that surface partial discharges create carbonized tracks at the contact between the cable insulation and the accessory body leading to breakdown. In this thesis, it was not possible to reproduce this condition. Breakdown occurred through a mechanism that remains to be unraveled. A possible connection with the shifts mentioned above, from homo to hetero charge at the interface, seems to exist.

I polimeri sono largamente utilizzati in diverse branche dell’ingegneria per le proprietà dovute alla composizione strutturale del materiale, la quale gli conferisce diverse caratteristiche e che consente loro di assolvere ai più svariati compiti. Le resine epossidiche, un tipo di polimero reticolato, sono largamente utilizzate nell’industria della microelettronica come incapsulanti per i circuiti integrati. L’aumento sempre più importante delle potenze in gioco in questo campo fa sì che si ricerchino dei materiali dielettrici sempre più performanti e capaci di resistere a sempre più importanti sollecitazioni di natura elettrica e termica. In particolare, in questo lavoro il processo di caratterizzazione si è concentrato sul definire le proprietà e il comportamento di due molding compound di resina epossidica sottoposte ad un ampio range di tensioni. La metodologia di analisi si è basata sull’effettuare tre tipologie di prove non distruttive: spettroscopia dielettrica, prove di conducibilità e test dell’impulso elettroacustico. Per mezzo della spettroscopia dielettrica si è determinata la permettività dielettrica dei due molding compound. Con le prove di conducibilità si è visualizzato il comportamento a bassi campi, calcolando i rispettivi valori di resistività e costanti di tempo. Infine, per mezzo della prova di impulso elettroacustico si è osservato il comportamento ad alti campi, determinando la tendenza all’accumulo di carica e i valori di soglia ai quali si iniziano a manifestare le prime scariche parziali. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per simulare il comportamento di semplici sistemi isolanti mediante il software TCAD.

La necessità di questi studi nasce dalla volontà di sostituire con un generatore elettrico i sistemi pneumatici che utilizzano l’aria compressa prodotta dalle turbine. Il vantaggio di questa configurazione, che apparentemente spreca energia, è che la turbina aumenta il proprio rendimento. Inoltre, il sistema di spillamento è molto complesso e richiede un elevato livello di manutenzione. La soluzione viene indicata come More Electric Aircraft, “MEA”. L’utilizzo di attuatori elettrici comporta la presenza di un materiale isolante che, a causa della sua natura organica, è maggiormente sensibile all’azione delle scariche parziali, PD. Da ciò nasce la necessità di approfondire i valori di innesco di tali scariche, PDIV. Tramite lo studio effettuato e le prove compiute è stato possibile determinare un modello che permette di calcolare la tensione di innesco delle PD in funzione di temperatura e pressione fino a 100 mbar. Utilizzando due diversi campioni, motorette e twisted pair, sono state condotte prove sia a pressione ambiente che ridotta a 100mbar, così da simulare la pressione ad elevate altitudini. Per emulare le frequenze e i bassi rise-time tipici dei convertitori utilizzati in tale ambito, è stata allestita una gabbia di prova con la presenza di generatori ad alta tensione e inverter con tecnologia silicone carbide (SiC) in grado di arrivare a frequenza di 100 kHz. I risultati ottenuti chiariscono comportamenti inerenti alle dipendenze delle PDIV rispetto vari fattori: pressione, frequenza, rise-time, umidità, stress termo-meccanici (dovuti alle variazioni repentine delle temperature di funzionamento), resina utilizzata, invecchiamento. Questa tesi fornisce pertanto strumenti per la comprensione dei fenomeni che interessano l’affidabilità di un sistema isolante soggetto a impulsi di tensione ad elevato slew rate e frequenza operanti in condizioni atmosferiche tipiche del MEA.

In this thesis the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) of Twisted Pairs (TP, representative models of the turn/turn insulation) is investigated, trying to unveil the effect of ambient conditions like pressure, temperature and humidity and the effect of wide bandgap (WBG) converters on it. This is the first step to find qualification methods for More Electric Aircraft actuators fed by WBG converters. A setup for PDIV tests at different pressure and temperature levels has been built. A suite of applications in MATLAB to perform acquisitions and automatic tests has been coded, it takes advantage of a photomultiplier tube for optical detection of the discharges. The optical detection in a dark environment has demonstrated to be as sensitive as a commercial PD detection instruments and free from the electrical noise of the converter. The humidity and temperature coupled effects have been investigated at ambient pressure, finding that an increase in relative humidity or temperature decreases the PDIV, but possible changes in the insulation permittivity and the confirmed presence of free charges on the surface of twisted pair renders difficult to model the phenomena. The effect of coupled temperature and pressure changes have been investigated, finding that PDIV highly decreases when the pressure is increased and that a Paschen-Like law doesn't model properly the phenomenon at very low pressures where a plateau forms instead of a minimum. Temperature increase and pressure decrease both act on the density of the air, lengthen the mean free path of the electron and reducing the electric field needed for the ionization. A SiC unipolar converter has been used to test the effect of the switching frequency on the PDIV, no impact has been found.

A partire da una cella di misura presente in laboratorio è stato creato un sistema completo per la spettroscopia dielettrica applicata ad isolanti fluidi di origine vegetale. Il sistema, composto da una parte fisica che ha lo scopo di raggiungere una temperatura desiderata ed una parte software implementata in ambiente LabView che controlla il generatore di potenza ed il Dielectric Analyzer, può essere sfruttato anche per altri tipi di isolanti liquidi come ad esempio i nanofluidi. I risultati determinabili con esso su un estere corrispondono ai risultati presenti in letteratura confermando quindi la riuscita realizzazione e funzionamento del sistema ideato.

Oggetto della tesi è stato la realizzazione di un sistema per la spettroscopia dielettrica. In particolare il sistema è in grado, con l'utilizzo di una cella di prova realizzata seguendo la norma CEI 10-9, di eseguire misure di grandezze dielettriche su un qualsiasi isolante fluido a diverse temperature in maniera del tutto autonoma. Le principali grandezze misurate sono il fattore di dissipazione, la costante dielettrica complessa, nella sua parte reale e immaginaria, e la conducibilità. Come dielettrico di prova è stato preso un nanofluido realizzato addittivando nanoparticelle di magnetite a una base di olio minerale. Sono stati realizzati nanofluidi a diverse concentrazioni di nanoparticelle sui quali sono state realizzate le stesse prove a tre temperature diverse, 40,60 e 80 gradi, ai fini di confrontare i risultati ottenuti tra loro. Sono state fatte le stesse prove anche sull'olio di base come ulteriore confronto. Nella tesi è stata trattata la teoria relativa ai dielettrici e ai nanofluidi nei primi due capitoli mentre negli ultimi due è stata descritta la procedura di realizzazione pratica del sistema di misura, la realizzazione del software utilizzato e infine la discussione dei risultati ottenuti.

L’obiettivo del lavoro di tesi è la realizzazione di una simulazione avanzata agli elementi finiti su un isolatore passante in tecnologia R.I.P. (Resin Impregnated Paper) per verificare se la variazione dei parametri resistivi del materiale con la temperatura e con il campo elettrico abbia un effetto significativo sui parametri termici dei componenti in esercizio. Per isolatore passante si intende un dispositivo atto ad isolare un conduttore percorso da corrente dal mezzo attraverso il quale passa (trasformatore). La tesi è stata sviluppata in più fasi: nella prima parte, sperimentale, ha avuto luogo la caratterizzazione elettrica del materiale isolante formato da strati di carta impregnata in resina epossidica. Nella seconda parte, i dati sviluppati a seguito delle misurazioni, sono stati inseriti in una simulazione elettro-magneto-termica. Le misure sperimentali hanno coinvolto due ambiti: conducibilità e scariche parziali, mentre la simulazione è stata effettuata con il software Infolytica. Inizialmente sono state calcolate le perdite ohmiche dovute al passaggio di corrente nel conduttore, successivamente è stato calcolato il profilo di temperatura lungo l’intero dispositivo utilizzando come termine di sorgente termica il risultato della prima simulazione. Infine è stato determinato il profilo termico accoppiando simultaneamente i tre simulatori MagNet, Thermnet ed ElecNet appartenenti al pacchetto Infolytica. I risultati ottenuti sono stati validati mediante confronto con prove sperimentali, e sono risultati soddisfacenti.

Le apparecchiature di manovra tramite isolamento a gas (GIS) sono in funzione da più di 45 anni e hanno dimostrato un alto livello di affidabilità, con tassi di difetto molto bassi. Tuttavia, il riscontro pratico indica che alcuni dei guasti che si verificano durante il servizio sono legati a difetti del sistema di isolamento. Molti di questi difetti possono essere rilevati tramite diagnostica con scariche parziali (PD). Per la rilevazione PD, viene utilizzato il metodo UHF perché meno sensibile ai disturbi e quindi più facile da gestire in confronto al metodo convenzionale secondo IEC 60270. Un rapporto di Electra pubblicato nel 1999 dal CIGRE Task Force 15/33.03.05 descrive la procedura in due fasi per la verifica della sensibilità del sistema UHF in modo molto generale. Dopo 15 anni dalla sua applicazione, è diventata necessaria una descrizione più dettagliata, sia su misure necessarie al test di laboratorio (Passaggio 1) che sul test in loco (Passaggio 2).

Studio della crescita della scarica elettrica nei gas a bassa pressione con trattazioni teoriche, risultati sperimentali e rimandi ai principali studi sull'argomento. Indice: 1 Introduzione 2 Breakdown nei Gas a Bassa Pressione 2.1 Criterio di Townsend e Legge di Paschen 2.2 Tensione di Breakdown in Campi Uniformi 2.3 Scostamenti dalla Legge di Paschen 2.4 Breakdown in Campi Non Uniformi 2.5 Time Lags per il Breakdown 2.6 Breakdown nel Vuoto 2.7 Scariche Intermittenti post-Breakdown 3 Breakdown nei Contatori Geiger 3.1 Contatori Geiger 3.2 Conteggio Proporzionale 3.3 Conteggio Non-Proporzionale 3.4 Propagazione della Scarica A Sviluppi Successivi

Sono stati introdotti i principali fluidi isolanti utilizzati in elettrotecnica, differenziandoli per strutture molecolari e proprietà dielettriche e spettroscopiche caratteristiche. Sono stati analizzati i diversi meccanismi di polarizzazione elettrica, polarizzabilità delle molecole e modelli di campo in un dipolo molecolare proposti da alcuni ricercatori ed analizzate le perdite dielettriche che compaiono negli oli isolanti elettrici principali, suddividendole per perdite dipolari, da cui il confronto fra diversi modelli teorici, e perdite dovute alla conduzione ionica di portatori di carica mobili.

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’u