Voltage stress on stator winding of AC machine fed by variable speed drive

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-10-21
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
75 + 8
Series
Abstract
Use of variable speed drives has been increasing over the last years. Variable speed drive increases the energy efficiency of the motor drive system and provides accurate control of the machine. This thesis aims to determine the voltage stress on stator winding of AC machine fed by variable speed drive. Variable speed drive topology discussed in this thesis consists of passive or active rectifier, DC-link and two-level voltage source inverter. Low voltage form wound stator winding is assumed. Voltage over the stator winding is divided into two separate voltage components, differential and common mode voltage. Peak value of differential mode voltage is determined by DC-link voltage and reflection phenomena at the machine terminals. Reflection depends on pulse rise time, output filter, length of the motor cable and wave impedance mismatch between motor cable and machine. Voltage pulse with rise time of one microsecond or less causes non-uniform voltage distribution between coils and turns. Non-uniform voltage distribution increases voltage stress on turn insulation. Common mode voltage at the machine terminals depends on the entire motor drive system including other devices behind the same supply transformer. According to literature review and simulations, common mode peak voltage at the machine terminals is higher, if active rectifier is used instead of passive rectifier. Type of transformer and switching actions of rectifier and inverter were found to have a notable effect on common mode peak voltage.

Taajuusmuuttajakäyttöisten sähkökoneiden määrä on kasvanut viimeisten vuosien aikana. Taajuusmuuttaja kasvattaa moottorikäytön energiatehokkuutta ja mahdollistaa tarkan ohjauksen. Työssä selvitetään taajuusmuuttajakäyttöisen vaihtovirtamoottorin staattorikäämityksen jänniterasitus. Työssä tarkasteltaviksi on valittu matalajännitteiset muotokuparisähkökoneet. Taajuusmuuttajatopologia, jonka aiheuttamaan jänniterasitukseen työssä syvennytään, on kaksitasoinen jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja. Staattorin jänniterasitus on jaettu kahteen jännitekomponenttiin, ero- ja yhteismuotoiseen jännitteeseen. Eromuotoisen jännitteen huippuarvo sähkökoneen liittimissä riippuu DC-välipiirin jännitteestä ja jännitepulssin heijastuksesta sähkökoneen liittimissä. Heijastuksen suuruuteen vaikuttaa jännitepulssin nousuaika, lähtösuodattimet, moottorikaapelin pituus sekä aaltoimpedanssin muutoksen suuruus sähkökoneen liittimissä. Jännitepulssi, jonka nousuaika on mikrosekuntin luokkaa, aiheuttaa jännitteen epälineaarisen jakautumisen vyyhtien ja kierrosten välillä. Epälineaarinen jännitteen jakautuminen rasittaa kierroseristystä enemmän kuin lineaarinen jännitteen jakautuminen. Yhteismuotoisen jänniteen huomattiin riippuvan koko sähkökäytöstä, mukaan lukien muut syöttömuuntajaan kytketyt laitteet. Kirjallisuustutkimuksen ja simulaation perusteella yhteismuotoinen jännite on suurempi käytettäessä aktiivista tasasuuntaajaa passiivisen sijaan. Syöttömuuntajan tyypillä sekä tasa- että vaihtosuuntaajien kytkennöillä todettiin myös olevan suuri vaikutus yhteismuotoiseen jännitteeseen.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Schulman, Liisi
Keywords
variable speed drive, form wound winding, voltage stress, common mode voltage, reflection
Other note
Citation