Numerical impulse response tests to identify dynamic induction-machine models

Abstract

The aim of the study is to identify dynamic models for induction machines using two-dimensional finite-element analyses. Attention is given mainly to cage-induction machines with closed rotor slots and deep rotor bars. However, cage-induction machines with semi-closed rotor slots and slip-ring machines are considered as well.

Two new applications of numerical impulse response tests are presented. The tests are performed within a time-stepping finite-element analysis. First, an impulse excitation is applied to the stator voltage and the response of the stator current is studied. Next, an impulse excitation is applied to the rotor position angle and the response of electromagnetic torque is studied. The results of the impulse tests are used to estimate parameters for small-signal models in the frequency domain. The estimation is performed by fitting the results of an impulse response test to the corresponding analytical small-signal model. The analytical models are based on the theory of electrical machines and their parameters have a physical meaning.

Based on the study, it is concluded that the skin effect in rotor bars has a significant influence on the results of the impulse response tests. In order to obtain a good fit, the skin effect has to be taken into account in the structure of the analytical model. In addition, the saturation of iron has a prominent effect. The effects of saturation can be detected as harmonics in the frequency response and in the values of parameter estimates. A model for saturation can be included in the small-signal models. In the case of this more advanced model, the parameter estimates obtain a clear physical interpretation.

The applicability of impulse response tests is based on the assumption of linear time-invariant behaviour of the system. The assumption is studied by several means. Within the tests, the amplitude, length, and initial time of the impulse excitation is varied and the results are compared. It is concluded that, in the case of normal operation points, the assumption can be made. The reasonability of the parameter estimates is evaluated by comparing the values with steady-state circuit parameters. The steady-state parameters are estimated using a time-harmonic finite-element analysis.

When the impulse is applied to the rotor position angle and the torque response is computed, the results predict negative electromagnetic damping within some frequency ranges. This phenomenon is also studied by measurements. It is observed that, within the range of predicted negative damping, self-excited torsional oscillations occur.

Työn tavoite on identifioida epätahtikoneiden dynaamisia malleja magneettikenttien kaksiulotteisen numeerisen ratkaisun avulla. Erityisesti tutkitaan oikosulkukoneita, joissa on suljetut ja syvät roottoriurat. Myös oikosulkukoneet, joissa on puoliavoimet roottoriurat sekä liukurengaskoneet on huomioitu tutkimuksessa.

Työssä esitetään kaksi uutta sovellusta numeerisille impulssikokeille, joissa sähkökoneen toimintaa simuloidaan aikadiskreetillä elementtimenetelmällä. Ensin tutkitaan staattorivirran vastetta, kun staattorijännitteeseen syötetään impulssimainen heräte. Seuraavaksi tutkitaan sähkömagneettisen vääntömomentin vastetta roottorin asentokulmaan tehtävään herätteeseen. Elementtimenetelmällä tuotettua dataa käytetään analyyttisten sähkökonemallien parametrien estimointiin. Analyyttiset mallit perustuvat sähkökoneiden teoriaan, jolloin niiden parametrit ovat fysikaalisesti järkeviä.

Tutkimuksen perusteella todetaan, että roottorisauvoissa esiintyvä virranahto vaikuttaa huomattavasti impulssikokeiden tuloksiin ja se täytyy ottaa huomioon myös analyyttisessa sähkökonemallissa. Myös kyllästyksellä on merkittävä vaikutus, joka voidaan havaita yliaaltoina impulssikokeiden tuloksissa ja myös estimoitujen parametrien arvoissa. Kyllästys on mallinnettu myös edistyneemmässä analyyttisessä mallissa. Tämän mallin parametreilla on selkeä fysikaalinen tulkinta.

Impulssikokeissa oletetaan, että tutkittavan järjestelmän toiminta voidaan kuvata lineaarisella mallilla valitun toimintapisteen läheisyydessä. Oletusta on tutkittu työssä monin eri tavoin. Impulssiherätteen amplitudia, pituutta ja alkamishetkeä on muutettu ja saatuja simulointituloksia vertailtu. Voidaan todeta, etta lineaarisuusoletus pätee sähkökoneiden yleisissä toimintapisteissä. Estimoitujen parametrien järkevyyttä on arvioitu vertaamalla niitä aikaharmonisella elementtimenetelmällä laskettuihin pysyvää tilaa kuvaaviin parametreihin.

Kun tutkitaan vääntömomentin vastetta roottorin asentokulmaan tehtävälle impulssille, huomataan, että joillakin taajuuksilla koneen sähkömagneettinen vaimennus roottorikulman vääntövärähtelyjen suhteen on negatiivinen. Ilmiötä on tutkittu myös mittauksin. Mittausten perusteella on havaittu, että itseherätteisiä vääntövärähtelyjä esiintyy taajuusalueella, jossa numeerinen impulssikoe ennustaa negatiivisen vaimennuksen.