Control of excitation current in a brushless synchronous motor started with load commutating inverter

Abstract

In this master’s thesis, the control of the excitation current of direct online brushless synchronous motor has been studied when the motor is started with load commutating inverter. This thesis includes a general overview from the different starting and magnetization methods that are available for the synchronous motors. The more detailed and profound investigation is conducted to the AC/AC magnetization and different control methods which are used. Different control methods are studied with models build into Simulink® environment and by comparing outcome from the simulation to actual laboratory measurements. Based on the simulation results, control method is chosen and implemented to ACS880 low voltage frequency converter to evaluate the suitability for practical application.

From the literature-based overview, it was discovered that the soft starting with the variable frequency drive causes less strain to the motor and reduces the risk of failure during starting. Such a soft start requires an AC/AC magnetization to be used, which requires antiparallel thyristor or frequency converter supply for the magnetization machine. Simulation results showed that the control, where frequency of the magnetization machine supply could be changed, improves the capability to magnetize the synchronous motor at standstill. The practical part of this thesis was able to verify the results of the simulation. However, the validation also showed that the magnetization machine model is not able to reliably represent the dynamics of the system, especially when fast changes are simulated. As a final result of this thesis, constant frequency and constant slip frequency control methods based on the flux control, were successfully implemented to commercial ACS880 low voltage frequency converter for the purpose of controlling the magnetization current.

Tässä diplomityössä tutkitaan verkkoon liitettävän harjattoman tahtimoottorin AC/AC-magnetointia ja sen säätöä, kun moottori käynnistetään kuormakommutoitua vaihtosuuntaajaa käyttäen. Työssä tutustutaan yleisellä tasolla erilaisiin tahtimoottorin käynnistys- ja magnetointimenetelmiin. Työssä syvennytään AC/AC-magnetointiin ja eri säätötapoihin, joita voidaan käyttää magnetoinnin säädössä. Eri säätömenetelmiä tutkitaan Simulink®-ympäristöön luoduilla malleilla, sekä tutkitaan mallien toimivuutta vertaamalla tuloksia käytännön mittauksiin. Työssä rakennetaan simulaation tulosten perusteella säätö ACS880-pienjännitetaajuusmuuttajalle ja tutkitaan niiden soveltuvuutta käytännön sovellukseen.

Kirjallisuuteen perustuvan yleiskatsauksen perusteella huomattiin, että pehmokäynnistys taajuusmuuttajalla aiheuttaa moottorille vähemmän rasitusta ja pienentää käynnistyksen epäonnistumisen riskiä. Tällainen pehmokäynnistys vaatii kuitenkin AC/AC-magnetoinnin, mikä vaatii vastarinnankytketyn tyristorisillan tai taajuusmuuttajan syöttämään magnetointikonetta. Simuloinnin perusteella todettiin, että magnetoinnin säätö, missä magnetointikoneen syöttötaajuutta voidaan muuttaa, parantaa järjestelmän kykyä magnetoida tahtimoottoria nollanopeudella. Käytännön toteutuksessa simulaation tulokset pystyttiin todentamaan luotettaviksi. Kuitenkin simulointimallia todennettaessa päädyttiin lopputulokseen, ettei simulointimalli kykene esittämään järjestelmän dynamiikkaa luotettavasti, etenkään nopeissa muutoksissa. Työn lopputuloksena pystyttiin esittämään vuosäätön perustuvat vakiotaajuus- ja vakiojättämätaajuusmenetelmät, jotka voidaan toteuttaa kaup