Finite-Element Modeling and Calorimetric Measurement of Core Losses in Frequency-Converter-Supplied Synchronous Machines

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-12-14
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
100 + app. 74
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 159/2012
Abstract
This thesis deals with the modeling and measurement of core losses in salient-pole wound-field synchronous machines. A numerical iron-loss model for ferromagnetic core laminations has been implemented to be used within the 2-D finite-element (FE) analysis of electrical machines. The developed model combines existing models for eddy currents, magnetic hysteresis, and excess eddy-current losses in the laminations. These losses are globally coupled to the FE solution of the magnetic field in the 2-D cross-section of an electrical machine. Numerical results obtained with the iron-loss model show that the hysteresis losses can be neglected from the FE field solution without a significant loss of accuracy in order to improve the convergence properties of the model and to speed up the computation. Coupling of the eddy-current losses and the related skin-effect phenomenon to the FE solution is more essential to predict the losses correctly, especially on the rotor side. The numerical model is applied to minimize the total electromagnetic losses by modifying the shape of the rotor pole shoe. A calorimetric measurement system has been designed and built for experimental determination of the core losses. A 150-kVA synchronous generator is used as the test machine in the measurements, and its core losses are determined both with grid and inverter supply as a function of the load. Three prototype rotors identical in geometry but stacked of 0.5-mm insulated silicon-iron (Fe-Si) sheets and 1-mm and 2-mm uninsulated steel plates are used in the tests. According to the measurement results, the losses in the rotors stacked of the thicker sheets increase much more severely as a result of loading and inverter supply than those in the Fe-Si rotor. When compared to the measurement results, the numerical model proves to estimate the core losses sufficiently, especially in the case of the 0.5-mm Fe-Si rotor. The modeling of the uninsulated laminations is found to be more challenging, since these may conduct currents also in the axial direction. The losses in the steel frame around the stator core are found to be extremely significant with voltages above the rated value. It is concluded that the 2-D model is also a suitable method to estimate the frame losses.

Tämä väitöskirja käsittelee avonapaisten, erillismagnetoitujen tahtikoneiden sydänhäviöiden mallintamista ja mittaamista. Levysydämen ferromagneettisten sähköteräslevyjen rautahäviöille on kehitetty numeerinen malli, jota voidaan käyttää sähkökoneiden kaksiulotteisen (2D) elementtimenetelmämallinnuksen yhteydessä. Kehitetty malli yhdistää olemassaolevat mallit levyjen pyörrevirta-, hystereesi- ja lisähäviöille. Nämä häviöt kytketään globaalisti magneettikentän elementtimenetelmäratkaisuun sähkökoneen poikkileikkauksen 2D-geometriassa. Rautahäviömallilla saadut numeeriset tulokset osoittavat, että hystereesihäviöt voidaan jättää huomiotta kenttäratkaisussa ilman laskentatarkkuuden merkittävää huononemista. Pyörrevirtahäviöiden ja virranahdon kytkeminen ratkaisuun on oleellisempaa erityisesti roottorihäviöiden laskentatarkkuuden kannalta. Numeerista mallia sovelletaan sähkömagneettisten häviöiden minimoimiseksi roottorin napakengän muotoa muuttamalla. Häviöiden kokeelliseksi määrittämiseksi on rakennettu kalorimetrinen mittausjärjestelmä. Testikoneena käytetään 150-kVA tahtigeneraattoria, jonka sydänhäviöt mitataan sekä verkko- että taajuusmuuttajakäytössä kuormituksen funktiona. Mittauksissa käytetään kolmea geometrialtaan identtistä prototyyppiroottoria, jotka on ladottu 0.5-mm eristetyistä piiteräslevyistä (Fe-Si) sekä 1-mm ja 2-mm eristämättömistä teräslevyistä. Mittaustulosten perusteella paksummista teräslevyistä ladottujen roottoreiden häviöt kasvavat kuormituksen ja taajuusmuuttajasyötön vaikutuksesta huomattavasti enemmän kuin Fe-Si-roottorin häviöt. Verrattaessa numeerisen mallin tuloksia mittaustuloksiin osoittautuu, että malli ennustaa sydänhäviöt riittävän hyvin erityisesti 0.5-mm Fe-Si-roottorin tapauksessa. Eristämättömien teräslevyjen mallintaminen on haasteellisempaa, sillä nämä saattavat johtaa virtaa myös aksiaalisuunnassa. Staattoripaketin ympärillä olevan teräsrungon häviöiden havaitaan olevan erittäin merkittävät nimellisjännitettä suuremmilla jännitteillä. 2D-mallin päätellään olevan sopiva menetelmä arvioimaan myös rungossa syntyviä häviöitä.
Description
Supervising professor
Arkkio, Antero, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Belahcen, Anouar, D.Sc., Aalto University, Finland
Keywords
calorimetric measurements, core losses, finite-element methods, synchronous machines, elementtimenetelmä, kalorimetriset mittaukset, sydänhäviöt, tahtikoneet
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Paavo Rasilo, Antero Arkkio. Modeling the Effect of Inverter Supply on Eddy-Current Losses in Synchronous Machines. In International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 5 pp., Pisa, Italy, June 2010.
  • [Publication 2]: Paavo Rasilo, Emad Dlala, Katarzyna Fonteyn, Jenni Pippuri, Anouar Belahcen, Antero Arkkio. Model of Laminated Ferromagnetic Cores for Loss Prediction in Electrical Machines. IET Electric Power Applications, Vol. 5, No. 7, pp. 580-588, August 2011.
  • [Publication 3]: Paavo Rasilo, Jussi Ekström, Ari Haavisto, Anouar Belahcen, Antero Arkkio. Calorimetric System for Measurement of Synchronous Machine Losses. IET Electric Power Applications, Vol. 6, No. 5, pp. 286-294, May 2012.
  • [Publication 4]: Paavo Rasilo, Anouar Belahcen, Antero Arkkio. Importance of Iron-Loss Modeling in Simulation of Wound-Field Synchronous Machines. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48, No. 9, pp. 2495-2504, September 2012.
  • [Publication 5]: Paavo Rasilo, Anouar Belahcen, Antero Arkkio. Effect of Rotor Pole-Shoe Construction on Losses of Inverter-Fed Synchronous Motors. In XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM), 5 pp., Marseilles, France, September 2012.
  • [Publication 6]: Paavo Rasilo, Anouar Belahcen, Antero Arkkio. Experimental Determination and Numerical Evaluation of Core Losses in a 150-kVA Wound-Field Synchronous Machine. Accepted for publication in IET Electric Power Applications, 14 pp., November 2012.
Citation