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Transmission Line Modelling for Inverter-Fed Induction Machines

Jorks, Hai Van :
Transmission Line Modelling for Inverter-Fed Induction Machines.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Transmission Line Modelling for Inverter-Fed Induction Machines
Language: English
Abstract:

This thesis is focused on high-frequency (HF) modelling of inverter-fed induction machines.The common mode (CM) input impedance of an existing 240 kW induction machine is computed in the frequency range of 10 Hz - 1 MHz and the results are compared to measurements. Transmission line (TL) theory is used to provide a consistent relation between field and circuit approaches. In the analysis of electromagnetic fields, special attention is attributed to the modelling of eddy currents inside the core lamination. In order to investigate this effect thoroughly, two modelling approaches are compared. First, a 2D simulation approach, where iron core lamination effects are included by means of an equivalent material approximation. The second approach consists in fully three-dimensional (3D) analysis taking into account explicitly the eddy currents induced in the laminations. In order to provide the 3D reference solution, a specialized simulation tool has been developed. The tool is built upon an existing in-house finite element (FE) code, which employs vector basis functions of both, low and high, order. Another key feature of the code is the parallel processing on a cluster, which allows for large-scale simulations of the 3D motor models. The FE code has been adapted to the extraction of the impedance matrix, which is associated with the conductors in the motor cross-section. Even though, the number of conductors may be numerous, the code allows for very efficient extraction of the desired parameters while avoiding unnecessary computational overhead. All simulations are carried out in frequency domain. Still, a procedure to include the magnetic nonlinearity of the motor core material is discussed and implemented. The proposed method computes iteratively the inhomogeneous permeability distribution for a given low-frequency (LF) excitation. The material data are then used in the linear computations in the HF range. The FE code is also successfully used for the computation of the 3D fields in the end-region of an induction machine. Once again, efficient large-scale simulations are realised, whereas here, mesh elements of different types have been combined. The modelling approaches are presented, using the example of an inverter-fed induction machine. Nevertheless, they may be employed to obtain important HF parameters of other radial flux machine types as well.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit werden Modellierungsmethoden für hochfrequente elektromagnetische Felder in umrichtergespeisten Asynchronmaschinen untersucht. Ziel ist die Berechnung der Gleichtakt-Eingangsimpedanz (Common Mode Impedanz) eines realen 240 kW Motors im Frequenzbereich 10 Hz - 1 MHz und der Vergleich mit Messergebnissen. Die Leitungstheorie (Transmission Line bzw. TL Theorie) dient dabei als Bindeglied zwischen der elektromagnetischen Feldanalyse und dem Klemmenverhalten der Maschine. Einen Schwerpunkt der Feldanalyse bildet die Modellierung von Wirbelströmen in den dünnen Blechen der Eisenkerne. Dabei werden zwei Modellierungsansätze verglichen. Zum einen ein zweidimensionaler (2D) Ansatz, der Wirbelstromeffekte über einen äquivalenten Materialparameter berücksichtigt. Zum anderen werden dreidimensionale (3D) Simulationen durchgeführt, in denen sich die Wirbelstromfelder explizit ausbilden können. Um die 3D Referenzlösung bereitstellen zu können, wurde ein spezielles Simulationstool entwickelt. Es basiert auf einem institutseigenen, parallelisierten Finite Elemente Code, in dem Basisfunktionen sowohl niedriger als auch hoher Ordnung verwendet werden können. Der Code wurde so modifiziert, das die gewünschte Impedanzmatrix des TL Motormodells sehr effizient extrahiert werden kann. Alle Simulationen werden im Frequenzbereich ausgeführt. Auf dieser Basis wird eine Methode vorgestellt, mit der die Nichtlinearität der Eisenbleche berücksichtigt werden kann. In der Methode wird zunächst die Permeabilitätsverteilung im Motorblech bei niedriger Frequenz iterativ bestimmt. Anschließend wird diese Permeabilitätsverteilung verwendet, um die Impedanzmatrix bei hohen Frequenzen zu berechnen. Der entwickelte Finite Elemente Code wird außerdem verwendet, um die 3D Felder in den Wicklungsköpfen der Maschine zu berechnen. Um die komplexe Geometrie zu diskretisieren,werden Tetraeder und Dreiecksprismen kombiniert. Die Modellierungsverfahren sind am Beispiel der umrichtergespeisten Asynchronmaschine dargestellt. Sie können aber auch zur Untersuchung hochfrequenter Effekte in anderen Radialflussmaschinen verwendet werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
Date Deposited: 20 Feb 2015 13:49
Last Modified: 20 Feb 2015 13:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44050
Referees: Weiland, Prof. Dr. Thomas and Hameyer , Prof. Dr. Kay and Binder, Prof. Dr. Andreas and Griepentrog, Prof. Dr. Gerd and Schöps, Prof. Dr. Sebastian
Refereed: 9 September 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4405
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