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Temperatures estimation system of electrical machines on wireless sensor networks
Huang, Yi
This dissertation proposes a model-based software method to develop a temperatures estimation system for an asynchronous machine, which is implemented in wireless sensor networks (WSN). The system can estimate the temperatures of the stator winding, the rotor cage and the stator core.
Firstly, a physical model of an asynchronous machine is built and validated in Dymola. The electrical, mechanical and the thermal behaviors performed well in the Dymola simulation model. Based on the physical model, an efficient and reliable thermal model for tracking the temperatures of the stator winding, the rotor cage and the stator core is built using Dymola. All the thermal parameters of the asynchronous machine are identified. One of the most difficult tasks is to identify the reference stator core losses and reference friction losses, which can be determined by a no-load test and load test on the test bench. The conductance values are calculated by the losses and temperatures at the steady state of the machine. The best-fit capacitances are found by using Genopt, an optimization program.
Two different algorithms are used for the temperatures estimation. A 4th-order Kalman filter (KF) algorithm and a 9th-order extended Kalman filter (EKF) are first implemented based on the state-space equations in MATLAB/SIMULINK. The Model-in-the-Loop (MiL) method is used to verify the algorithms. The physical model in Dymola and the algorithms are connected together in the simulation using SIMULINK. After the verification of the algorithm, both are implemented in a wireless sensor network (WSN), which is based on the IEEE1451 standard using Contiki OS. To estimate the respective temperatures of the stator winding, the rotor cage and the stator core of an asynchronous machine, KF and EKF algorithms are implemented into the resource restricted embedded system.
Finally, under different experiment conditions, the temperatures estimation system in WSN are tested on the test bench. The real-time WSN temperature estimation system is independent from the control algorithm and functional under any load condition, as long as the current of the stator is a nonzero system and measured with very high accuracy.
Diese Arbeit befasst sich mit einer modellbasierten Software zur Temperaturschätzung für die Statorwicklung, den Rotorkäfig und den Statorkern einer Asynchronmaschine. Die Software kann in einem drahtlosen Sensornetzwerk implementiert werden.
Zunächst wurde ein physikalisches Modell einer Asynchronmaschine in "Dymola" aufgebaut und deren elektrisches, mechanisches und thermisches Verhalten validiert. Danach wurde das physikalische Modell mit einemeffizienten und zuverlässigen thermischen Modell mit allen thermischen Parametern erweitert, um die Temperaturen der Statorwicklungen, dem Rotorkäfig und dem Statorkern zu verfolgen. Die Leitwerte wurden durch die Verluste und Temperaturen im stationären Zustand der Maschine berechnet. Die Kapazitäten wurden mit "GenOpt" gefunden.
Für die Temperaturschätzung wurden ein 4th-Order Kalman Filter (KF) und ein 9th-Order Extended Kalman Filter (EKF) basierend auf den Zustandsraumgleichungen in Simulink implementiert. Die beiden Filter-Algorithmen wurden mithilfe der Model-in-the-Loop (MiL) Methode verifiziert. Danach wurden das physikalische Modell in "Dymola" und die Filter-Algorithmen simulativ miteinander in Simulink verbunden und anschliessend in einem Wireless Sensornetzwerk (WSN) implementiert. Das Netzwerk basiert auf dem IEEE1451-Standard unter Contiki OS. Um die jeweiligen Temperaturen der Statorwicklungen, dem Rotorkäfig und dem Statorkern einer Asynchronmaschine zu schätzen, wurden viele Ansätze verwendet, um den Algorithmus in das ressourcenbeschränkte eingebettete System zu integrieren.
Zuletzt wurde das Temperaturschätzsystem im WSN unter verschiedenen Versuchsbedingungen am Prüfstand getestet. Das Schätzsystem in Echtzeit ist unabhängig von dem Steueralgorithmus und unter allen Lastbedingungen funktionsfähig, solange der Strom vom Stator nicht gleich Null ist und mit einer sehr hohe Genauigkeit gemessen wurde.
