Kuormituslisähäviöiden laskenta- ja mittausmenetelmät induktiokoneissa

Abstract

Työ keskittyy suurten induktiokoneiden kuormituslisähäviöihin. Määritelmän mukaan lisähäviöt ovat kokonaishäviöiden ja tyhjäkäyntirautahäviöiden, mekaanisten häviöiden sekä tasavirtaresistansseista laskettujen kuparihäviöiden erotus. Niitä aiheuttavat pääasiassa ilmavälikentän yliaallot, jotka aiheuttavat rautahäviöitä ja indusoivat korkeataajuisia virtoja. Nämä johtavat kupari- ja virranahtohäviöihin. Myös vyyhdenpäät tuottavat lisähäviöitä. Työssä esitellään lisähäviöiden teoreettinen tausta sekä yleisesti käytetyt laskentamenetelmät. Nämä menetelmät implementoidaan Matlab-sriptiksi modifioituna niin, että aiempaa kattavampi yliaaltoanalyysi on mahdollista.

Lisäksi työssä esitellään erilaisia lisähäviöiden mittausmenetelmiä. Lisähäviöt voidaan mitata joko epäsuorasti otto- ja antotehon erotuksen perusteella, tai suoraan jollakin kuormitustilannetta approksimoivalla testillä. Teollisuuden käyttöön sopivimmiksi menetelmiksi todetaan kuorma- ja Eh-tähtikoe.

Työssä määritetään 75 induktiokoneen lisähäviöt kuormakokeella sekä laskemalla analyyttisesti ja numeerisesti. Mittausten perusteella kuormituslisähäviöiden estimointi tietyksi yleisesti käytetyksi prosenttiosuudeksi ottotehosta johtaa hyvin epätarkkoihin tuloksiin keskitehoisilla koneilla. Tehty Matlab-skripti ei kykene ennustamaan mitattuja häviöitä tarkasti, mutta antaa kuitenkin samansuuntaisia tuloksia kuin numeeriset menetelmät. Tärkeimmiksi teoreettisiksi lisähäviölähteiksi analysoiduissa koneissa paljastuvat matala-asteisten ilmaväliharmonisten tuottamat roottorin kuparihäviöt.

The thesis focuses on load stray losses in large induction machines. These losses are defined as the difference between the total losses and the sum of no-load iron losses, mechanical losses, and resistive losses calculated from the DC-resistances. They are mainly caused by the air-gap field harmonics, which cause iron losses and induce high-frequency reaction currents, which in turn cause resistive and skin-effect losses. Also the end-windings contribute to the stray losses.

The theoretical background and the established calculation methods of the load stray losses are presented. The methods are then implemented in a modified fashion as a Matlab script, enabling a more comprehensive analysis of the field harmonics.

Furthermore, different measurement methods for the stray losses are presented. The losses can be measured indirectly from the difference between the machine input and output powers, or directly using one of several possible tests mimicing load conditions. The load test and the Eh-star test are deemed the most suitable for industrial use.

Finally, the stray losses of 75 induction motors are both measured and calculated both analytically and numerically. From the measurements, it is observed that the typical way of estimating the losses as a percentage of the input power results in grossly inaccurate stray losses for medium-powered machines. The Matlab script fails to predict the measured losses accurately, but agrees acceptably well with numerical results. Based on the presented theory, rotor copper stray losses are found out to be the most significant stray loss source in the analysed machines.