Luận án tiến sĩ nonlinear analysis of electrical and thermal stress grading system in multilevel inverterdriven medium voltage motors

Luận án tiến sĩ phân tích nonlinear analysis of electrical and thermal stress grading system in multilevel inverterdriven, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

Trường đại học

Shibaura Institute of Technology

Chuyên ngành

Engineering and Science

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2014

100
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Phân tích phi tuyến

Phân tích phi tuyến là trọng tâm của nghiên cứu này, tập trung vào việc hiểu rõ hành vi của hệ thống phân bố ứng suất điện và nhiệt trong động cơ trung áp điều khiển bởi bộ nghịch lưu đa mức. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm COMSOL để mô phỏng các hiện tượng phi tuyến trong hệ thống. Các mô hình điện trường và truyền nhiệt được phát triển để phân tích sự phụ thuộc phi tuyến của vật liệu bán dẫn trong hệ thống phân bố ứng suất. Kết quả cho thấy, trong điều kiện điện áp xung nhanh từ bộ nghịch lưu, ứng suất điện và nhiệt tập trung cao ở các khu vực cụ thể, đặc biệt là tại các vị trí thoát khe stator.

1.1. Mô hình điện trường

Mô hình điện trường được xây dựng để phân tích sự phân bố ứng suất điện trong hệ thống. Kết quả cho thấy, ứng suất điện đạt giá trị cao nhất tại các vị trí thoát khe stator, nơi có sự chênh lệch điện áp lớn. Hiện tượng này được giải thích bởi sự phụ thuộc phi tuyến của độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn vào cường độ điện trường.

1.2. Mô hình truyền nhiệt

Mô hình truyền nhiệt được sử dụng để đánh giá sự phân bố ứng suất nhiệt trong hệ thống. Kết quả chỉ ra rằng, mật độ công suất tiêu tán lớn nhất cũng tập trung tại các vị trí thoát khe stator, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ đáng kể tại khu vực này. Điều này làm tăng nguy cơ hư hỏng cách điện và giảm tuổi thọ của động cơ.

II. Hệ thống phân bố ứng suất

Hệ thống phân bố ứng suất (SGS) là một thành phần quan trọng trong cấu trúc cách điện của động cơ trung áp. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cơ chế phân bố ứng suất điện và nhiệt trong SGS dưới tác động của điện áp xung từ bộ nghịch lưu đa mức. Kết quả cho thấy, hiện tượng quá áp và dao động do sự không phù hợp trở kháng giữa cáp và động cơ có thể làm tăng cường độ và thời gian tồn tại của ứng suất điện và nhiệt, đặc biệt trong trường hợp cáp dài và sử dụng bộ nghịch lưu có tốc độ chuyển mạch nhanh.

2.1. Ứng suất điện

Ứng suất điện trong SGS được đánh giá thông qua mô hình điện trường. Kết quả cho thấy, hiện tượng quá áp và dao động làm tăng đáng kể cường độ điện trường tại các vị trí quan trọng trong hệ thống, đặc biệt là tại các vị trí thoát khe stator.

2.2. Ứng suất nhiệt

Ứng suất nhiệt được phân tích thông qua mô hình truyền nhiệt. Kết quả chỉ ra rằng, hiện tượng quá áp và dao động không chỉ làm tăng cường độ ứng suất nhiệt mà còn kéo dài thời gian tồn tại của nó, dẫn đến nguy cơ hư hỏng cách điện cao hơn.

III. Động cơ trung áp và bộ nghịch lưu đa mức

Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích động cơ trung áp điều khiển bởi bộ nghịch lưu đa mức. Các mô hình mô phỏng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của điện áp xung nhanh từ bộ nghịch lưu đến hệ thống phân bố ứng suất. Kết quả cho thấy, việc sử dụng bộ nghịch lưu đa mức có thể làm giảm đáng kể tổng độ méo hài (THD) trong điện áp đầu ra, nhưng đồng thời cũng làm tăng ứng suất điện và nhiệt trong hệ thống phân bố ứng suất.

3.1. Điều khiển động cơ

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ nghịch lưu đa mức. Kết quả cho thấy, mặc dù bộ nghịch lưu đa mức giúp cải thiện hiệu suất điều khiển, nhưng nó cũng làm tăng ứng suất điện và nhiệt trong hệ thống phân bố ứng suất, đặc biệt là trong điều kiện điện áp xung nhanh.

3.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp để cải thiện thiết kế hệ thống phân bố ứng suất sao cho tương thích với động cơ trung áp điều khiển bởi bộ nghịch lưu đa mức. Các mô hình mô phỏng được coi là công cụ hứa hẹn để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY Non-linear Analysis of Electrical and Thermal Stress Grading System in Multi-Level Inverter-Driven Medium Voltage Motors by Nguyen Nhat Nam A thesis submitted to Shibaura Institute of Technology in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor Engineering Graduate School of Engineering and Science September 2014 Abstract SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY ABSTRACT Advanced Research Program on Environmental Energy Engineering Graduate School of Engineering and Science by Nguyen Nhat Nam Energy has been one of the most important problems in the world. Beside numerous efforts to explore and to apply renewable resources of energy, the efficient use of energy has become a good solution to face the depleted situation of fossil fuels. In practice, applications of adjustable speed drives are demonstrated being able to enhance the efficiency of using electric power. However, this trend becomes a big challenge for stress grading systems of stator end-winding insulations in AC motors because of fast and high voltage impulses in the output of the frequency-variable drives.

Hence, a comprehensive understanding about the behaviour of stress grading systems in the inverter source conditions is an inevitable demand. Originated from this desire, the aim of our research work is to analyze the electrical and the thermal stress grading mechanisms of a typical stress grading system in invert-fed medium voltage motors. Based on a finite element method software package named COMSOL, two models of electric field and heat transfer analyses are developed taking into account the nonlinearly electrical behaviour of the semiconductive tape in the stress grading systems. Besides, a mathematical model of surge travelling is ii Abstract modified and built in Matlab/Simulink to compute overshot voltages at the motor terminal caused by the cable-motor impedance mismatch.

In the inverter applied conditions, the electric field stress and the dissipated power in the conductive armour tape of the stress grading system are validated existing during the short rise time interval of the impulses. The dissipated power density is observed to be greatest in the area at the stator slot exits, hence the highest temperature rise locates in this region. Moreover, the effects of voltage overshooting and ringing due to the cable-motor impedance mismatch on the stress grading system behaviour are clarified in detail. This phenomenon can increase both the intensity and the lasting time of the electric and thermal stresses, exacerbate the ineffective situation of the stress grading system, especially in the cases of long connecting cables, high cable-motor surge impedance differences, and newer inverters with very fast electronic switches.

With the results achieved above, the application of our simulation models can be a promising way for the improvements and optimal designs of stress grading system compatible to inverter-fed motors. iii Acknowledgements I would like to express my highest gratitude to Professor Satoshi Matsumoto for his enthusiastic guidance, valuable suggestions and helps not only in the research work but also in my daily life. Financial supports from Japan International Cooperation Agency (JICA) for my study and living are highly appreciated. I gratefully acknowledge my examination committee members; Professor Hiroyuki Nishikawa, Professor Goro Fujita, Professor Kan Akatsu, and Professor Akiko Kumada for their valuable comments and kindly cooperation in reviewing my research work.

I would like to thank Emeritus Professor Yoshikazu Shibuya for his useful advices and encouragements during my research work. I am thankful to my dear friend, Mr. Le Dinh Khoa for allowing me to use his simulation model of Series Connected H-Bridge Voltage Source Converter, and for all his useful discussions. Special acknowledgement is sent to Mr.

Takahiro Nakamura from Tokyo University for his precious experiment information. The helps and supports from Ms. Junko Okura, Ms. Makiko Hagiwara and Mr.

Seiji Mizuno of JICA during my living in Japan are highly appreciated. I would like to thank all the members of Matsumoto Laboratory, and University staffs at Shibaura Institute of Technology, especially the Global Initiative Section and Graduate School Section for all their helps and supports. Finally, I would like to acknowledge the endless supports from my family including my grandparents, my parents, my beloved wife, my sister and my brother in law. iv I would like to devote this thesis to my grandfather… v Contents CONTENTS Declaration of Authorship i Abstract ii Acknowledgements iv List of Figures viii List of Tables xiii Abbreviations xiv Symbols xv 1 Introduction 1 1.2 Stress grading system structure .1 Conductive armour tape .3 Temperature and field dependence of materials in stress grading systems .5 Objective of the present study .1 Approaches applied for stress grading analysis in previous works .2 FEM based models of stress grading system .1 Electric field analysis model .2 Heat transfer analysis model .3 Series Connected H-Bridge voltage source converter model .4 Mathematical model for PWM surge transmission in ASD networks .1 Frequency response of the stress grading system .2 Operation analysis of the stress grading system under PWM voltage sources .1 Output voltages of the SCHB VSCs .2 Electric field analysis .3 Heat transfer analysis .3 Investigation of the effect of overshot voltage due to impedance mismatch between cable and motor .1 Electric field and thermal stresses in the SGS .2 Validation of the FEM based analysis models.

65 5 Conclusion and Future works 70 5. 71 A List of publication 74 References 77 vii List of Figures Fig. 1-1: A general configuration of inverter-driven motor. 1-2: A typical structure of type II form wound insulation system.

1-3: Microstructure view of semiconductive materials based on SiC and ZnO [8]. 1-4: Measuring samples of CAT or SCT in [111. 1-5: DC resistivity of CAT measured at 22 oC, 80 oC, 110 oC and 155 o C in [11]. 1-6: DC resistivity of SCT measured at 22 oC, 80 oC, 110 oC and 155 o C in [11].

1-7: Electric field dependent curves of the electrical conductivity of SCT measured at DC, 60 Hz, 3 kHz and 5 kHz in [12]. 1-8: A typical stress grading configuration for optimization problem in [13]. 1-9: Spark gap generator circuit proposed in [18]. 1-10: Sectionalized structure of stress grading system with an additional conductive tape in [19].

1-11: Illustration of capacitive stress grading systems using embedded foils. 2-1: Equivalent circuit of a stress grading system [26,30-31]. 2-2: Schwarz-Christoffel conformal transformation mapping plane (z) onto plane () [13, 32]. 2-3: Detailed size of the studied stress grading system in 2D axially symmetric coordinate (r, z).

2-4: Electrical conductivity of the materials versus electric field strength. 2-5: Boundary conditions used in the electric field analysis models. 2-6: A typical cooling system for high power motors [37]. 2-7: Boundary conditions used in the heat transfer analysis model.

2-8: The mesh profile of the SGS used in the two analysis models. 2-9: Typical topology of a (2M+1)-level SCHB VSC [1, 42]. 2-10: Computation algorithm of VM for Matlab/Simulink used in [45]. 2-11: Improved computation algorithm of VM for Matlab/Simulink in this work.

3-1: Electric potential and tangential electric field stress on the surfaces of the SGS in case of 50 Hz sinusoidal voltage source. 3-2: Maximum value along z-axis of average dissipated power density in the SGS and maximum temperature on the surfaces of the SGS in case of 50 Hz sinusoidal voltage source. 3-3: Maximum tangential electric field stress on the surfaces of the CAT and the SCT in case of sinusoidal voltage sources with the frequency from 50 Hz to 5 MHz. 3-4: Maximum tangential electric field stress on the surfaces of the SGS in the four cases 50 Hz, 26 kHz, 123 kHz and 5 MHz sinusoidal voltages.

3-5: Maximum temperature on the surfaces of the CAT and the SCT in case of sinusoidal voltage sources with the frequency from 50 Hz to 20 kHz. 3-6: Electric potential and tangential electric field stress on the surfaces of the SGS in case of 5 MHz sinusoidal voltage source. 3-7: Output phase-to-ground voltages of the 5L SCHB and 11L SCHB VSCs. 3-8: Harmonic spectra in the phase-to-ground voltages of the 5L and the11L SCHB VSCs.

3-9: Maximum tangential electric field stress on the surfaces of the SGS in the three cases of 5L, 11L SCHB VSCs and 9 kV RMS (phase-to- phase) sinusoidal voltage source. 3-10: Tangential electric field on the surfaces of the SGS at the two points (z = 0 mm and z = 56.9 mm) in the two cases of 5L and 11L SCHB VSCs during the interval from 10 ms to 20 ms. 3-11: Tangential electric field on the surfaces of the SGS at the two points (z = 0 mm and z = 56.9 mm) in the case of 5L SCHB VSC during the interval from 12. 3-12: Tangential electric field on the surfaces of the SGS at the two points (z = 0 mm and z = 56.9 mm) in the case of 11L SCHB VSC during the interval from 12.

3-13: Distribution of electric potential and tangential electric field on the surfaces of the SGS during the interval from 12.18 ms in the case of 5L SCHB VSC. 3-14: Distribution of electric potential and tangential electric field on the surfaces of the SGS during the interval from 12.475 ms in the case of 11L SCHB VSC. 3-15: Maximum value along z-axis of average dissipated power density in the SGS in the cases of 5L and 11L SCHB VSCs. 3-16: Temperature distribution on the surfaces of the SGS in the three cases of 11L, 5L SCHB VSCs and sinusoidal voltage source after 30 hours.

3-17: Comparison of maximum tangential electric field stress on the surfaces of the SGS under the 11L SCHB voltages between the two cases without and with voltage overshooting. 3-18: Tangential electric field on the surfaces of the SGS at the two points (z = 0 mm and z =56.9 mm) in the cases of 11L SCHB voltages during the interval from 10. 3-19: Tangential electric field on the surfaces of the SGS at the two points (z = 0 mm and z = 56.9 mm) in the cases of 11L SCHB voltages during the interval from 12. 3-20: Maximum value along z-axis of average dissipated power density in the SGS in the cases of 11L SCHB voltages without and with voltage overshooting.

3-21: Temperature distribution on the surfaces of the SGS in the cases of 11L SCHB voltages without and with voltage overshooting after 30 hours. 3-22: Simplified waveform of the 11L SCHB VSC used in the ns- scaled electric field analysis. 3-23: Tangential electric field stress at z = 0 mm on the surface of the CAT under the simplified and the 11L SCHB voltages. 3-24: Voltage overshot factor versus the cable length for the two motor impedance values of 100  and 1000 .

3-25: Maximum tangential electric field on the CAT at z =0 versus the rise time of the inverter voltages. 4-1: RC low pass filter circuit. 4-2: Frequency response of a low pass filter output. 4-3: Maximum values along z-axis of dissipated power density in the SGS.

4-5: Hypothesis explained for PD on the middle surface of CAT in [29]. 69 xii List of Tables Table 2-1: Electrical properties of the materials .24 Table 2-2: Thermal properties of the materials. 26 Table 2-3: Basic data of the SCHB VSCs. 31 Table 3-1: Fundamental harmonic and THD of the phase voltage provided by the 5L and the 11L SCHB VSCs.

42 Table 3-2: Amplitude, appearance time and location of maximum tangential electric field stress on the surface of the SGS in the three cases of 5L, 11L SCHB VSCs and 9 kVRMS (phase-to-phase) sinusoidal voltage source. 44 Table 3-3: Important differences of tangential electric field stress at the two special positions on the SGS in the cases of 5L and the 11L SCHB VSCs. 46 Table 3-4: Important data of temperature distribution in the SGS from the heat transfer analyses. 49 Table 3-5: Surge characteristics of the inverter, the cable and the motor in the fundamental case.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Phân Tích Phi Tuyến Hệ Thống Phân Bố Ứng Suất Điện Và Nhiệt Trong Động Cơ Trung Áp Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu Đa Mức là một nghiên cứu chuyên sâu về việc phân tích và tối ưu hóa hệ thống phân bố ứng suất điện và nhiệt trong động cơ trung áp, đặc biệt khi sử dụng bộ nghịch lưu đa mức. Tài liệu này cung cấp cái nhìn chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện độ bền và hiệu quả hoạt động. Độc giả sẽ hiểu rõ hơn về cách thức quản lý nhiệt và ứng suất điện trong các hệ thống phức tạp, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành động cơ.

Để mở rộng kiến thức về chủ đề này, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu quá trình quá độ và tính toán chế độ xác lập khi đóng cắt mạch vòng trên lưới điện trung áp công ty điện lực thủ đức, nơi phân tích sâu về quá trình quá độ và chế độ xác lập trong hệ thống điện trung áp. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ hcmute điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha cung cấp thêm góc nhìn về kỹ thuật điều khiển trong các hệ thống động cơ. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ hcmute điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha ở chế độ tiết kiệm năng lượng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các phương pháp tối ưu hóa năng lượng trong vận hành động cơ.

Các tài liệu này không chỉ bổ sung kiến thức mà còn mở ra những hướng nghiên cứu mới liên quan đến động cơ và hệ thống điều khiển, giúp bạn nắm bắt toàn diện hơn về lĩnh vực này.