Effects of a variable frequency drive on torsional vibrations in electrical machines

Abstract

This thesis deals with the identification of electromagnetic stiffness and damping. It is well known that electromagnetic stiffness and damping influence the torsional dynamics of an electric drivetrain. The electromagnetic stiffness and damping are obtained from a frequency response between the rotor angle and the electromagnetic torque, which could be identified or calculated analytically. However, the frequency response is usually only for a machine directly connected to the grid and does not include the effect of a variable frequency drive. The variable frequency drive is a common way to control the speed and torque of the machine. The main goal of this thesis is to develop a method that includes the effect of the variable frequency drive control on the frequency response. The identification method is based on a signal injection in time-domain simulations. The simulation model includes a discrete-time controller and a continuous-time motor model. In the simulation, an excitation signal is injected into the steady-state rotor speed, where the response is seen in the electromagnetic torque. The frequency response could be identified with the rotor speed and the electromagnetic torque spectra. The identification method is validated with analytical solutions of the frequency response from the literature. The validation includes one machine with three control methods for the variable frequency drive.

Tämä diplomityö käsittelee sähkömagneettisen jäykkyyden ja vaimennuksen identifiointia. Sähkömagneettinen jäykkyys ja vaimennus vaikuttaa sähköisen voimalinjan vääntödynamiikkaan. Sähkömagneettinen jäykkyys ja vaimennus voidaan laskea roottorin kulman ja sähkömagneettisen vääntömomentin välisestä taajuusvasteesta. Usein taajusvasteessa ei oteta huomioon taajuusmuuttajan säätömenetelmää. Taajuusmuuttajalla voidaan ohjata sähkökoneen tuottamaa vääntömomenttia, sekä pyörimisnopeutta. Työn päätavoite on kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan identifioida taajuusvaste ohjatulle sähkökoneelle. Menetelmä perustuu aikatason simulointeihin, joissa injektoidaan herätettä roottorin pysyvän tilan pyörimisnopeuteen. Heräte on havaittavissa sähkökoneen tuottamassa vääntömomentissa, jolloin taajuusvaste on laskettivassa roottorin pyörimisnopeuden ja vääntömomentin spektreistä. Simulaatiomallissa on diskreetiaikainen säätömenetelmä ja jatkuvan ajan sähkökonemalli. Menetelmä validoidaan vertaamalla identifioituja taajuusvasteita analyyttisesti laskettuihin taajusvasteisiin.