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Control and Measuring Method for Three Phase Induction Motor with Improved Efficiency

Abdelkarim, Emad Ahmed Hussein :
Control and Measuring Method for Three Phase Induction Motor with Improved Efficiency.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Control and Measuring Method for Three Phase Induction Motor with Improved Efficiency
Language: English
Abstract:

This thesis deals with improving and measuring the efficiency of variable speed induction motor drives. Optimized efficiency is achieved by adapting the magnetizing level in the motor according to the load percentage. The thesis investigates on the efficiency improvement of squirrel cage induction motors fed by SVM-VSI, by using the loss model method. A new expression for the optimal air gap flux is calculated from a detailed loss model. This loss model comprises the copper loss, iron loss, friction, windage, stray, and harmonic loss. The calculated optimal air gap flux is a function of these losses and also considers the non-linearity of the magnetizing inductance and the effect of the temperature on the motor parameters (stator and rotor resistances). The proposed loss model improves the efficiency of a speed sensorless indirect field oriented control (IFOC) induction motor. The (IFOC) of an induction motor is sensitive to motor parameter variation. Rotor and stator resistances vary with the motor temperature, and the proposed loss model controller depends on the motor parameters. So an on-line estimation of motor parameters using parameter adaptive observer is used. An on-line search control method shows the accuracy of the optimal flux values, which are calculated by using the proposed loss model. By using the calculated optimal air gap flux for speed sensorless indirect vector controlled induction motor, an improvement in motor efficiency and power factor are achieved especially at light load. If there is an increase in the load while the motor is operating with the optimal flux value, the flux will be right away increased to the rated value, and later, the suitable optimal flux value according to the new load torque is calculated. Measuring the efficiency of the induction motor according to IEEE-112B standard requires highly accurate measuring devices, where the inaccuracy of the power meter and torque meter should not exceed (0.1%), and (1 RPM) for speed sensor. But such devices are expensive. An accurate system using a FPGA was designed to calculate the motor efficiency without requiring a power meter. By adapting the motor voltages and currents signals, load torque meter signal, and position sensor signal the average electrical and mechanical motor powers are calculated in a FPGA. The accuracy of the calculated electrical power is verified by using advanced power meter (with accuracy equals 0.1%), in order to satisfy the recommendation of the standard IEEE-112B. Fuzzy Logic Controller improves the motor speed performance when compare to PI speed controller. The improvement in the efficiency, the power factor and the motor stability under fast load variations by using the proposed optimal flux control method is compared with the rated flux control method experimentally. Also, the experimental results show the accuracy of the designed efficiency measuring system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Effizienzsteigerungen und der Messung von drehzahlgeregelten Induktionsmotoren. Optimierte Effizienz wird durch die Anpassung des Magnetisierungsstroms in dem Motor je nach der Belastung erreicht. Die Arbeit untersucht die Verbesserung der Effizienz von Käfigläufer-Asynchronmotoren am U-Umrichter mit der Verlust Model-Methode. Eine neue Beziehung für den optimalen Luftspaltfluss wird durch ein detailliertes Verlustmodell hergeleitet, bei dem Kupfer Verluste, Eisen-Verluste, Reibung, Ventilationsverluste, und harmonische Streu-Verluste, als Funktion des Luftspaltflusses berechnet werden. Dabei wird die Nichtlinearität der Magnetisierungs-Induktivität und die Wirkung der Temperatur auf die Motorparameter (Stator und Rotor Widerstände) berücksichtigt. Das vorgeschlagene Verlust-Modell wird verwendet, um die Effizienz der sensorlosen indirekten feldorientierten Regelung zu verbessern (IFOC). Die IFOC einer Asynchronmaschine ist empfindlich gegenüber Motorparametervariationen vor allem, Rotor und Stator Widerständen variieren mit der Motortemperatur. Da die vorgeschlagene Methode von den Motor-Parametern abhängt, wird eine Online-Schätzung der Motor-Parameter mit Hilfe eines Parameter adaptiven Beobachters eingesetzt. Ein Online-Suche Verfahren zeigt die Genauigkeit des berechneten optimalen Fluss-Wertes mit Hilfe des vorgeschlagenen Modells. Vor allem im Teillastbereich wird durch die Verwendung des berechneten optimalen Luftspaltflusses bei den sensorlosen indirekten drehzahlgeregelten Induktionsmotoren eine Verbesserung des Wirkungsgrades und Leistungsfaktors erreicht. Bei einer Erhöhung des Lastmomentes und damit einhergehendem Geschwindigkeitsabfall wird zunächst Nennfluss vorgeben und anschließend der zum neuen Betriebspunkt passende optimale Fluss-Sollwert berechnet. Die Messung der Effizienz der Asynchronmaschine nach dem Standard IEEE-112B erfordert hochpräzise Messgeräte, bei denen der Messfehler 0,1% nicht über-schreitet. Aber solche Geräte sind teuer. Ein genaues System mit einem FPGA wurde entwickelt, um den Wirkungsgrad des Motors zu bestimmen. Durch die Erfassung der Motor Spannungen und Ströme, des Lastmoments und der Position kann in einem FPGA die elektrische Eingangsleistung und die mechanisch abgegebene Leistung berechnet werden. Die berechnete elektrische Leistung wird unter Verwendung eines käuflichen Leistungsmessers (0,1%) geprüft, um die Empfehlungen nach dem Norm IEEE-112B zu erfüllen. Fuzzy-Logik-Regler verbessert die Regelgüte der Drehzahl des Motors im Ver-gleich zum PI-Regler. Die Verbesserung der Effizienz, des Leistungsfaktors und der Stabilität bei schnellen Lastschwankungen wird experimentell gezeigt. Auch zeigen die experimentellen Ergebnisse die Richtigkeit des ausgelegten Messsystems.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 01 Mar 2011 12:02
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24423
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Mutschler, Prof. Peter
Refereed: 18 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2442
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  • Control and Measuring Method for Three Phase Induction Motor with Improved Efficiency. (deposited 01 Mar 2011 12:02) [Currently Displayed]

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