Numerical impulse response tests to identify dynamic induction-machine models

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Faculty of Electronics, Communications and Automation | Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2008-04-04
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
85, [app]
Series
TKK dissertations, 110
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.
Description
Keywords
induction machines, parameter estimation, frequency response, finite element analysis, epätahtikoneet, parametrien estimointi, taajuusvaste, elementtimenetelmä
Other note
Parts
  • A.-K. Repo and A. Arkkio, Parameter estimation of induction machines using the numerical impulse method, Proceedings of the International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM 2006), Taormina, Italy, 23-26 May 2006, No. WA1-19136, 6 pages.
  • A.-K. Repo and A. Arkkio, Numerical impulse response test to estimate circuit-model parameters for induction machines, IEE Proceedings - Electric Power Applications, volume 153, number 6, November 2006, pages 883-890. [article2.pdf] © 2006 The Institution of Engineering and Technology (IET). By permission.
  • Anna-Kaisa Repo, Asko Niemenmaa, and Antero Arkkio, Estimating circuit models for a deep-bar induction motor using time harmonic finite element analysis, Proceedings of the 17th International Conference on Electrical Machines (ICEM 2006), Chania, Crete, Greece, 2-5 September 2006, No. 614, 6 pages. [article3.pdf] © 2006 by authors.
  • A.-K. Repo and A. Arkkio, Numerical impulse response test to identify parametric models for closed-slot deep-bar induction motors, IET Electric Power Applications, volume 1, number 3, May 2007, pages 307-315. [article4.pdf] © 2007 The Institution of Engineering and Technology (IET). By permission.
  • Anna-Kaisa Repo, Marko Hinkkanen, and Antero Arkkio, Parameter estimation for induction motors to study the effects of voltage, frequency and slip, Proceedings of the 12th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2007), Aalborg, Denmark, 2-5 September 2007, 10 pages.
  • Marko Hinkkanen, Anna-Kaisa Repo, Mikaela Cederholm, and Jorma Luomi, Small-signal modelling of saturated induction machines with closed or skewed rotor slots, Conference Record of the 2007 IEEE Industry Applications Conference, 42nd Industry Applications Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, USA, 23-27 September 2007, pages 1200-1206.
  • Marko Hinkkanen, Anna-Kaisa Repo, Mikaela Cederholm, and Jorma Luomi, Small-signal model for saturated deep-bar induction machines, Proceedings of the 12th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2007), Aalborg, Denmark, 2-5 September 2007, 10 pages.
  • Anna-Kaisa Repo, Paavo Rasilo, and Antero Arkkio, Dynamic electromagnetic torque model and parameter estimation for a deep-bar induction machine, IET Electric Power Applications, in press. [article8.pdf] © 2008 by authors and © 2008 The Institution of Engineering and Technology (IET). By permission.
  • Anna-Kaisa Repo, Paavo Rasilo, Asko Niemenmaa, and Antero Arkkio, Identification of electromagnetic torque model for induction machines with numerical magnetic field solution, IEEE Transactions on Magnetics, in press. [article9.pdf] © 2008 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-011389