Induction Motor Emulation Senior Design Team 1506 Geoffrey Roy, - PowerPoint PPT Presentation

Induction Motor Emulation Senior Design Team 1506 Geoffrey Roy, Amber Reinwald, Matthew Geary Advanced Power Electronics and Electric Drives Lab (APEDL) ECE Department and Center for Clean Energy Engineering Final Presentation Fall 2014 12/01/2014 12/4/14 ¡ 1

Outline Ø Background – Lenze Ø Project Objective Ø Design Ø Current Project State Ø Project Simulation and Results Ø Upcoming Tasks Ø DC Motor Ø Budget Ø Timeline 12/4/14 ¡ 2

Lenze • Manufacturer of Variable Frequency Drives (VFD) • VFDs provide motor control to: • Robotics • Manufacturing/packaging • Automotive construction (conveyor systems) • Lenze VFDs also provide speed control for AC motors 12/4/14 ¡ 3

Objective Current Problem • Numerous induction motor and dynamometer pairs • Test configuration takes up a large amount of space • Motors give off a significant amount of heat • Rotating motor degrades over time Objective • Develop a variable induction motor emulator that can: q Operate under normal motor conditions q Output loads of 0.5, 1.0, 2.0 hp q Small in size and has little to no moving parts q Can be run with a graphical user interface (GUI) 12/4/14 ¡ 4

Researched and Proposed Solution Three design choices for motor emulator: Three-Phase Transformer, Power Hardware in the Loop (PHIL), and Field-Programmable Gate Array Method ¡ Pros ¡ Cons ¡ PHIL ¡ • Electrical ¡machines ¡can ¡be ¡simulated ¡in ¡real ¡ • Introduces ¡inaccuracy ¡from ¡sampling ¡ 9me ¡ rate, ¡delay, ¡quan9za9on, ¡and ¡satura9on ¡ • No ¡need ¡for ¡moving ¡parts ¡ • Not ¡a ¡proven ¡catch-­‑all ¡method ¡to ¡begin ¡ • Allows ¡more ¡flexibility ¡in ¡prototyping ¡tes9ng ¡ design ¡ • Can ¡explore ¡real ¡power ¡system ¡issues ¡such ¡ • Difficult ¡to ¡account ¡for ¡all ¡environmental ¡ as ¡stability, ¡impact ¡of ¡ac9ve ¡power ¡quality ¡ variables ¡ controls, ¡and ¡harmonics ¡ • Required ¡device ¡for ¡emula9on ¡is ¡well ¡ outside ¡our ¡budget ¡ FPGA ¡ Millions ¡of ¡logic ¡gates ¡ Advanced ¡coding ¡in ¡unknown ¡languages ¡ • • Use ¡of ¡hardware ¡binary ¡arithme9c ¡ Depends ¡on ¡an ¡accurate ¡modeling ¡of ¡ • • Adders ¡and ¡mul9pliers ¡ system ¡ • High ¡precision ¡ High ¡chance ¡of ¡bugging ¡ • • High-­‑speed ¡characteris9cs ¡ Minor ¡mistakes ¡maRer ¡ • • Parallelism ¡ Requires ¡more ¡hardware ¡ • • Flexibility ¡to ¡change/reprogram ¡ Draws ¡a ¡lot ¡of ¡power ¡ • • ¡ 12/4/14 ¡ 5

Emulation Choice: Three-Phase Transformer Pros: • Per-phase equivalent circuit model of a transformer and induction motor are fundamentally equal • Magnetic fields are coupled • No moving parts • Cheapest option Cons: • There is no internal slip dependency • Not the smallest option 12/4/14 ¡ 6

Implementing Slip Dependency High Power Rheostat • No programming needed • Can be manually adjusted • Small Caveat: • Small moving parts • Requires DC motor to adjust using GUI • Requires three to emulate a three-phase load 12/4/14 ¡ 7

Initial Prototype Design 4. ¡ 5. ¡ 1. ¡ 2. ¡ Slip : ¡single ¡input ¡or ¡ 1. VFD drives transformer with varying frequency and varying? ¡ voltage Output ¡Power : ¡ 0.5, ¡1.0, ¡2.0 ¡hp? ¡ 2. When driven the transformer will have a transient response like a motor 3. With the GUI a user will set the output power and 6. ¡ either set a specific or varying slip value for the transient response 3. ¡ 4. Motor drive IC will drive the DC motor 5. DC motor turns the delta connected rheostats 6. Rheostat values are Rr*(1-s)/s; where s = motor slip 12/4/14 ¡ 8

Current State of Project • Induction motor parameters calculated from motor characterization tests § Finalizing Induction motor and three-phase transformer simulation based off calculated parameters o Simulation steady state output values need to be the same Ø Following simulation completion we will purchase parts 12/4/14 ¡ 9

Motor Calculations A motor characterization test was conducted to obtain our equivalent motor parameters. • DC Test • Determines stator resistance (R1) • No-Load Test • Rotor speed is very close to synchronous speed (R2*(1-s)/s = 0) • Determines magnetizing reactance (Xm) • Determines core resistance (RFe) • Locked-Rotor Test • Motor’s rotor was held so it would not turn • Determines rotor resistance (R2) • Determines stator and rotor reactance (X1 and X2) 12/4/14 ¡ 10

Induction Motor Simulation Rs = 138.808 Ω Rr = 137.256 Ω Rc = 2.6064 k Ω Ls = 0.2968 H Lr = 0.4452 H Lm = 5.355 H T = 0.38 and 0.2 J = 0.003 Poles = 4 12/4/14 ¡ 11

Results Rotor and Stator Currents Motor Rotations Per Minute 12/4/14 ¡ 12

Results Motor Output Power Motor Torque 12/4/14 ¡ 13

Three-Phase Transformer Simulation 12/4/14 ¡ 14

Simulation Problems Varying Load Resistance • We need to vary slip from 0 à 1 in a single simulation Power Output • We would like to see the same power output as the induction motor simulation 12/4/14 ¡ 15

Upcoming Tasks • Assemble our motor emulator § Connect transformer to our rheostat load • Test our emulator § Drive the transformer with Lenze VFD and compare our results with Lenze motor under the same conditions • Decide which DC motor to purchase • Ensure DC motor rotates rheostats as intended • Design a PCB for the DC motor driver • Interface the motor driver with a GUI that a user can adjust the slip and output power with 12/4/14 ¡ 16

Rheostat Motion • Need to precisely move the dial on the rheostats to properly emulate rotor slip • Forward and reverse motion is necessary • Stepper motor q Motion in steps with precision of so many steps per revolution q DC motor involves speed control; precise movements are hard to achieve q Around $20 or less 12/4/14 ¡ 17

Driving the Motor • Stepper motor driver kits are available, though not ideal for use • Arduino Mega 2560 (~$45) q Arduino boards are able to interface with Python • Intend to design our own PCB Motor Driver using a driving chip as a base q Possible chip: A3967 microstepping driver 12/4/14 ¡ 18

Budget Preliminary Budget ~ $3000 Item costs: • Three-phase transformer ~ $1000 • (3x) High power rheostat ~ $500 (x3) Remaining Budget ~ $500 Future Purchases • Motor chopper PCB layout/fabrication • Possible motor driving IC (Arduino) • DC motor 12/4/14 ¡ 19

Timeline Nov. ¡ Dec. ¡ Jan. ¡ Feb. ¡ Mar. ¡ Apr. ¡ Sept. ¡ Oct. ¡ Induc9on ¡Motor ¡& ¡Motor ¡Emula9on ¡ Research ¡ Three-­‑Phase ¡Transformer ¡as ¡a ¡Motor ¡Emulator ¡ Research. ¡Parts ¡Research/Purchasing ¡ Induc9on ¡Motor ¡Emula9on ¡& ¡ Simula9on. ¡ ¡ DC ¡Motor ¡Research. ¡Design ¡and ¡Purchase ¡ May ¡ Motor ¡Driving ¡IC/ ¡Motor ¡Chopper ¡PCB ¡ Emulator ¡Assembly ¡& ¡Tes9ng. ¡ ¡ Emulator ¡Op9miza9on ¡or ¡Fixing ¡if ¡needed ¡ GUI ¡Design ¡& ¡Tes9ng. ¡Interfacing ¡GUI ¡ with ¡DC ¡Motor ¡and ¡Emulator ¡ Total ¡System ¡Integra9on ¡& ¡Tes9ng. ¡This ¡Would ¡ Include ¡Op9miza9on ¡and ¡Fixing ¡If ¡Needed ¡ 12/4/14 ¡ 20

Questions? 12/4/14 ¡ 21

Citations • [1] Knight. “Electrical Machines”. EE 332 – Electrical Drives [Online]. Available: http:// people.ucalgary.ca/~aknigh/electrical_machines/machines_main.html. [Accessed: October, 2014] • [2] Lenze AC Tech Corporation. “StockMotors AC motors 90W to 315kW three phase squirrel cage induction motors,” Catalog: MDERA0601. • [3] Lenze AC Tech Corporation. “SMVector – Frequency Inverter Operating Instructions,” Document: SV01N_13418587 • [4] O. Vadyakho et al., "An Induction Machine Emulator for High-Power Applications Utilizing Advanced Simulation Tools With Graphical User Interfaces," Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol.27, no.1, pp.160, 172, March 2012 • [5] http://www.o-digital.com/uploads/2179/2188-1/DC_Motor_Z2D15_24_507.jpg • [6] http://320volt.com/en/ta8435-ile-bipolar-step-motor-surucu-devresi/ • [7] http://www.directindustry.com/prod/getra/three-phase-transformers-25208-799759.html • [8] http://www.directindustry.com/prod/mf-power-resistor-ltd/power- rheostats-39029-295332.html#product-item_1501619 • [9] http://www.dspace.de/shared/img/company/press/pressefotos/originals/MidSize- Simulator_RGB.jpg 12/4/14 ¡ 22 ¡