Space charge and dielectric response measurements to assess insulation aging of low-voltage cables used in nuclear power plants

The current design life of nuclear power plant (NPP) could potentially be extended to 80 years. During this extended plant life, all safety and operationally relevant Instrumentation & Control (I&C) systems are required to meet their designed performance requirements to ensure safe and reliable operation of the NPP, both during normal operation and subsequent to design base events. This in turn requires an adequate and documented qualification and aging management program. It is known that electrical insulation of I&C cables used in safety related circuits can degrade during their life, due to the aging effect of environmental stresses, such as temperature, radiation, vibration, etc., particularly if located in the containment area of the NPP. Thus several condition monitoring techniques are required to assess the state of the insulation. Such techniques can be used to establish a residual lifetime, based on the relationship between condition indicators and ageing stresses, hence, to support a preventive and effective maintenance program. The object of this thesis is to investigate potential electrical aging indicators (diagnostic markers) testing various I&C cable insulations subjected to an accelerated multi-stress (thermal and radiation) aging.

Charge and spin transport in memristive La0.7Sr0.3Mno3/SrTiO3/Co devices

Il lavoro svolto si concentra sul trasporto di carica e spin in dispositivi trilayer La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co multifunzionali. Questi dispositivi mostrano sia magnetoresistenza che resistive switching, con un'interessante interazione fra i due effetti. Le giunzioni SrTiO3 sono state scelte per questo lavoro sia per via dei precedenti studi su SrTiO3 come barriera in dispositivi spintronici (cioè dispositivi con magnetoresistenza), sia perché sono promettenti come materiale base per costruire memristor (cioè dispositivi con resistive switching). Il lavoro di tesi è stato svolto all'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati (ISMN-CNR) a Bologna. Nella prima parte di questa tesi illustrerò la fisica dietro al resistive switching e alla magnetoresistenza di dispositivi trilayer, mostrando anche risultati di studi su dispositivi simili a quelli da me studiati. Nella seconda parte mostrerò la complessa fisica degli ossidi utilizzati nei nostri dispositivi e i possibili meccanismi di trasporto attraverso essi. Nell'ultima parte descriverò i risultati ottenuti. I dispositivi La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co sono stati studiati tramite caratterizzazione elettrica, di magnetotrasporto e con spettroscopia di impedenza. Le misure ottenute hanno mostrato una fisica molto ricca dietro al trasporto di spin e carica in questi dispositivi, e la mutua interazione fra fenomeni spintronici e di resistive switching rappresenta una chiave per comprendere la fisica di questi fenomeni. Analisi dati della dipendenza della resistenza della temperature e caratteristiche corrente-tensioni saranno usati per quantificare e descrivere il trasporto in questi dispositivi.

Analisi dinamica e a regime del convertitore Dickson-Charge-Pump

I circuti di tipo charge-pump trovano vasto impiego nell'elettronica moderna in quanto offrono un metodo semplice e totalmente integrato per elevare le basse tensioni di alimentazione tipiche dei circuiti digitali e trasformarle nelle alimentazioni adatte al pilotaggio di circuti di programmazione delle memorie, al pilotaggio dei mos di potenza, alla generazione della tensione di riferimento dei VCO nei PLL e in numerose altre applicazioni. Questa tesi studia il circuito charge-pump di Dickson nel suo comportamento sia a regime stazionario sia a regime dinamico. Al fine di aumentare l'efficienza è infatti importante attivare il circuito solo all'occorrenza, prestando attenzione al transitorio di accensione. Ogni aspetto teorico viene verificato per mezzo di simulazioni su LTSpice. Si è quindi potuto constatare che un dimensionamento corretto del numero di stadi ottimizza le prestazioni sia statiche che dinamiche sotto il vincolo di una massima occupazione d'area. L'impiego dei circuiti charge-pump si prevede possa essere sempre più diffuso in futuro, visto il trend verso un maggiore livello di integrazione dei sistemi elettronici e la tendenza ad utilizzare tensioni di alimentazione sempre più basse.

Charge accumulation and transport in degenerately doped semiconducting polymers with mixed ionic and electronic conductivity

This thesis is part of the fields of Material Physics and Organic Electronics and aims to determine the charge carrier density and mobility in the hydrated conducting polymer–polyelectrolyte blend PEDOT:PSS. This kind of material combines electronic semiconductor functionality with selective ionic transport, biocompatibility and electrochemical stability in water. This advantageous material properties combination makes PEDOT:PSS a unique material to build organic electrochemical transistors (OECTs), which have relevant application as amplifying transducers for bioelectronic signals. In order to measure charge carrier density and mobility, an innovative 4-wire, contact independent characterization technique was introduced, the electrolyte-gated van der Pauw (EgVDP) method, which was combined with electrochemical impedance spectroscopy. The technique was applied to macroscopic thin film samples and micro-structured PEDOT:PSS thin film devices fabricated using photolithography. The EgVDP method revealed to be effective for the measurements of holes’ mobility in hydrated PEDOT:PSS thin films, which resulted to be <μ>=(0.67±0.02) cm^2/(V*s). By comparing this result with 2-point-probe measurements, we found that contact resistance effects led to a mobility overestimation in the latter. Ion accumulation at the drain contact creates a gate-dependent potential barrier and is discussed as a probable reason for the overestimation in 2-point-probe measurements. The measured charge transport properties of PEDOT:PSS were analyzed in the framework of an extended drift-diffusion model. The extended model fits well also to the non-linear response in the transport characterization and results suggest a Gaussian DOS for PEDOT:PSS. The PEDOT:PSS-electrolyte interface capacitance resulted to be voltage-independent, confirming the hypothesis of its morphological origin, related to the separation between the electronic (PEDOT) and ionic (PSS) phases in the blend.

Generalized hydrodynamics of a (1+1)-dimensional integrable scattering theory with roaming trajectories

The emergence of hydrodynamic features in off-equilibrium (1 + 1)-dimensional integrable quantum systems has been the object of increasing attention in recent years. In this Master Thesis, we combine Thermodynamic Bethe Ansatz (TBA) techniques for finite-temperature quantum field theories with the Generalized Hydrodynamics (GHD) picture to provide a theoretical and numerical analysis of Zamolodchikov’s staircase model both at thermal equilibrium and in inhomogeneous generalized Gibbs ensembles. The staircase model is a diagonal (1 + 1)-dimensional integrable scattering theory with the remarkable property of roaming between infinitely many critical points when moving along a renormalization group trajectory. Namely, the finite-temperature dimensionless ground-state energy of the system approaches the central charges of all the minimal unitary conformal field theories (CFTs) M_p as the temperature varies. Within the GHD framework we develop a detailed study of the staircase model’s hydrodynamics and compare its quite surprising features to those displayed by a class of non-diagonal massless models flowing between adjacent points in the M_p series. Finally, employing both TBA and GHD techniques, we generalize to higher-spin local and quasi-local conserved charges the results obtained by B. Doyon and D. Bernard [1] for the steady-state energy current in off-equilibrium conformal field theories.

numerical problems in the calculation of electric field and charge density profiles for mass impregnated non-draining hvdc cables subjected to fast polarity reversals

The goal of this simulation thesis is to present a tool for studying and eliminating various numerical problems observed while analyzing the behavior of the MIND cable during fast voltage polarity reversal. The tool is built on the MATLAB environment, where several simulations were run to achieve oscillation-free results. This thesis will add to earlier research on HVDC cables subjected to polarity reversals. Initially, the code does numerical simulations to analyze the electric field and charge density behavior of a MIND cable for certain scenarios such as before, during, and after polarity reversal. However, the primary goal is to reduce numerical oscillations from the charge density profile. The generated code is notable for its usage of the Arithmetic Mean Approach and the Non-Uniform Field Approach for filtering and minimizing oscillations even under time and temperature variations.

Analisi energetica al variare dello state of charge di propulsori ibridi e plug-in operanti nel ciclo WLTP con propulsore termico a punto fisso stechiometrico

Il presente lavoro propone la stesura di un codice in ambiente MATLAB per l'analisi energetica di powertrain ibridi operanti nel ciclo WLTP con il particolare funzionamento del motore termico benzina a punto fisso stechiometrico. Nello specifico, il codice prende dei dati in input tramite un'interfaccia grafica ed avvia una simulazione, i cui risultati principali corrispondono ad emissioni di anidride carbonica per chilometro percorso ed ai chilometri percorsi con un litro di carburante. Queste sono le due grandezze che questo lavoro si prefigge di ottimizzare, dalle quali proviene la scelta del particolare funzionamento del motore termico. Sono state implementate due differenti strategie di controllo, una generale ed una più particolare. La simulazione con la strategia generale è stata applicata a tre differenti scenari reali, con le caratteristiche tecniche di tre veicoli realmente esistenti che vengono inserite nell'interfaccia grafica. I risultati provenienti da queste simulazioni sono stati poi analizzati e discussi nel dettaglio, anche con l'ausilio di grafici a supporto della spiegazione. La strategia di controllo particolare non è stata applicata a scenari reali ma ha portato alla definizione di una ipotetica architettura di powertrain ibrido, alla quale la sopracitata strategia si adatta al meglio. Dopo aver proposto miglioramenti e possibili ulteriori sviluppi di questo lavoro, sono state tratte le conclusioni generali, allargando il tutto al contesto più ampio in cui si va ad inserire.

Modellazione, controllo e sviluppo sperimentale di un azionamento con convertitore boost integrato per DC fast charge

La presente trattazione propone un metodo innovativo per la fast DC charge, che permette di collegare le colonnine di ricarica a 400 V ai veicoli con batteria ad 800 V. Il collegamento avviene tramite l’azionamento elettrico di propulsione, che deve dunque essere riconfigurato durante la ricarica sotto forma di “integrated boost DC/DC converter”. L'elaborato illustra il modello matematico del sistema, lo schema di controllo in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni. Infine, sono illustrate le prove a banco effettuate sul sistema in esame, la strumentazione utilizzata ed i risultati ottenuti per le configurazioni confrontate. Tuttavia, si dimostra che il metodo di ricarica richiede un’ulteriore induttanza per il collegamento al motore per evitare gli elevati ripple delle correnti di fase ed il conseguente surriscaldamento dei magneti rinvenuto durante le prove sperimentali.

Analisi fem, simulazione e sperimentazione di un azionamento brushless con convertitore boost integrato per DC fast charge

L'elaborato analizza il funzionamento di un integrated boost converter, operante come sistema di interfaccia per la ricarica di un veicolo elettrico operante a 800V con la colonnina di ricarica a 400V. Il convertitore utilizza le fasi dell'azionamento di trazione come induttanze di filtro. Mediante un’analisi agli elementi finiti sono stati estratti i parametri del motore elettrico di un veicolo stradale operante a 800V. Il funzionamento del convertitore è studiato in ciascuna delle configurazioni proposte in ambiente Simulink. Poi, sono state individuate le posizioni che permettono il funzionamento ottimale del sistema ed infine sono state eseguite le prove a banco per verificare le previsioni dei modelli matematici dell'integrated boost converter. Si è quindi ottenuta una configurazione dell'azionamento a bordo del veicolo che permette il trasferimento di energia tra batteria e colonnina di ricarica a tensione inferiore, seppur siano richiesti sviluppi futuri per poter avere una ricarica completa della batteria.