Laboratory test and modelling of small PM syncrhonous machines

Abstract

La máquina síncrona de imanes permanentes (PMSM) es una solución útil para muchos problemas diarios de ingeniería. El uso de imanes permanentes en el rotor, en lugar de campos magnéticos creados por las corrientes de excitación en los devanados del rotor, puede dar varias ventajas en muchas aplicaciones. Las principales aplicaciones de las máquinas síncronas de imanes permanentes están en servomotores, motores eléctricos, robótica y ascensores. Es una solución adecuada para pequeños problemas de ingeniería. El diseño es simple con imanes permanentes: el rendimiento aumenta porque no existen las pérdidas en el cobre de los bobinados del rotor, el volumen puede reducirse debido a que sólo depende de la distribución de los imanes y por lo tanto, el peso y el precio puede reducirse también. Puede ser utilizado como un generador, pero debido a que tiene una excitación constante por imanes, ésta no puede ser controlada externamente. Esta pérdida de la capacidad de control de excitación es una limitación que provoca una caída de tensión en los terminales cuando la carga del generador se incrementa. Este fenómeno se puede ver en este trabajo, donde las máquinas síncronas de imanes permanentes se usan como generador. Una vez visto la utilidad de las máquinas síncronas de imanes permanentes y el atractivo de su estudio, la NTNU encuentra interesante construir este tipo de generadores síncronos para aprovechar el proceso de aprendizaje durante su diseño, prueba y modelado. Como objetivo del proyecto está el explicar y modelar todo fenómeno que éstas máquinas síncronas de imanes permanentes hechas a mano pueden mostrar. Este proyecto es parte de un estudio más grande y de la investigación que el Departamento de Ingeniería Eléctrica De Potencia de la NTNU ha estado llevando a cabo durante los tres o cuatro últimos semestres. Durante los semestres de otoño de 2014 y otoño de 2015, estudiantes de dicha universidad han diseñado y fabricado estatores para máquinas síncronas de imanes permanentes. Mi parte en este trabajo trata de hacer pruebas a algunos de estos estatores de las máquinas síncronas de imanes permanentes, incluyendo estatores manufacturados por profesores en el taller eléctrico, modelar los circuitos eléctricos de las máquinas síncronas y hacer una evaluación de las características y el comportamiento de estos estatores de generadores síncronos de imanes permanentes. Con el fin de lograr resultados en este trabajo, bajo la supervisión de Trond Toftevaag, se utilizó el tiempo de trabajo para llevar a cabo mediciones en los diferentes estatores de las máquinas síncronas, hacer cálculos para obtener el modelo y analizar los resultados. El principal objetivo de este proyecto es hacer pruebas y modelar diversas pequeñas máquinas síncronas con el fin de obtener una explicación adecuada de la conducta y el modelo estático físico que describe las máquinas. El estudio de máquinas síncronas de imanes permanentes con características distintas ayudará a entender las significativas diferencias que hay en la forma en que fueron diseñadas.

The Permanent Magnets Synchronous Machine (PMSM) is a useful solution to many daily engineering problems. The use of permanent magnets in the rotor, instead of magnetic fields created by excitation currents in rotor windings, can give several advantages in many applications. The main applications of PM synchronous machines are in servomotors, electric drives, robotics and elevators. It’s a suitable solution for little engineering problems. The design is simple with permanent magnets, the efficiency increases because the copper losses in the rotor windings doesn’t exist, the volume can be reduced due to that it only depends on the distribution of the magnets and therefore, the weight and price can be reduced too. It can be used as a generator but having a constant excitation because of the magnets implies that this excitation can’t be controlled. This loss of the excitation control capability is a constraint that makes the terminal voltage drop when loading the generator. This phenomenon can be seen in this project work, where the PM synchronous machines are run as a generator. Once seen the utility of PM synchronous machines and its attractiveness to study, NTNU finds interesting to build this synchronous generators to take advantage of the learning process during the designing, testing and modelling them. As a goal there is the capability of explaining and modelling every phenomenon that handmade PM synchronous machines can show. This project is a part of a bigger study and research that the Department of Electric Power Engineering of NTNU have been carrying out during the previous three or four semesters. During autumn 2014 and autumn 2015 semesters, students from the course ‘TEP 4175: Energy from Environmental Flows’ have been designing and making stators for PM synchronous machines. My part in this work is about testing some of this stators of PM synchronous machines, including stators made by the electric workshop, modelling the electrical circuits of the synchronous machines and make an evaluation of the characteristics and the behaviour of this PM synchronous generators stators. In order to achieve results in this work, under the supervision of Trond Toftevaag, the labour time was used to perform measurements in the different stators of the PM synchronous machines, make calculations to get the model and analyse the results. The main objective of this project is to test and model various small PM synchronous machines in order to get a proper explanation of the behaviour and the physical static model that describes the machines. Studying PM synchronous machines with distinct characteristics will help to understand how significant this differences are in the way they were designed.