Monitoring of power factor for induction machines using estimation techniques

Power factor is a significant element in power systems which is defined as the angle difference between voltages and currents that produces power fluctuation between sources and loads. Since, 40-50% of consumption of electrical power in industry is induction machines which are inductive loads, monitoring of the power factor is necessary in order to protect systems. To monitor the power factor on induction machines, it would require both voltage and current waveforms measurement in order to apply the displacement method which require equipments. In this paper, we present a mathematical method using Kriging to determine the operating power factor for an induction machine. Estimation of the operating power factor would be effectively implemented for under load detection and compensation for improving the power quality. Experimental results will be indicated to substantiate the feasibility of the proposed methods

Estimating power factor of induction motors using regression technique

Induction motors are one of the largest power consumption in electrical systems. Since induction motors are inductive loads, they produce a lot of power quality issue in the electrical systems. Solving the power quality problem, monitoring power factor of induction motors is important because at no load or light load condition power factor is low and consequently low power factor not only provide a penalty charge, but also generates a huge current and losses in the grid systems. To measure the power factor, zero crossing and instantaneous power methods can be used. Both methods require motor voltage and current waveforms at operating times. Those methods may have a huge cost in terms of requiring the motor to be out of service for connecting devices. In this research, regression analysis will be applied to estimate the power factor of induction motor at any loading condition. The results of the proposed method will be compared with the measured power factor of induction motor in order to substantiate the feasibility of the proposed method

Predication of steady-state thermal characteristics of a resistance spot welding transformer in battery manufacturing application

This paper introduces a novel finite-element-method-based model designed to analyze the electromagnetic–thermal dynamics of resistance spot welding (RSW) transformers used in battery manufacturing. The RSW process, inherently multiphysics and sensitive to temperature fluctuations, involves phase changes within the metal materials. This complexity, combined with frequent electrode connections and disconnections during welding (variable structure), renders traditional steady-state analysis methods inadequate for accurately capturing temperature and electromagnetic parameters under thermal steady-state conditions, and the effect of changing power electronics parameters (frequency, number of cycles, and firing angle) on continuous operation is also unpredictable. The article proposes a method capable of determining temperature trends during electrode opening (rest period). It simplifies the temperature characteristics and material properties of the welding spot. These variations are equated and simplified as a constant temperature and an equivalent material, respectively. The proposed model, rooted in finite-element analysis and experimentally validated, enables a bidirectional electromagnetic–thermal simulation through steady-state thermal analysis. This simulation generates results for temperature and electromagnetic values during steady-state operation, demonstrating close agreement with experimental results. Consequently, the developed model showcases its capability in predicting the impacts and sensitivities of various factors, such as voltage cycle number, firing angle, and rest period duration within the RSW process

AHSS Sacların Elektrik Direnç Nokta Kaynağında Kaynak Parametrelerinin Taguchi Yöntemiyle Optimizasyonu

Malzeme teknolojilerinin gelişimi ile birlikte AHSS (Advanced-High Strength Steel) adı verilen üçüncü nesil geliştirilmiş yüksek gerilimli saclar can güvenliği amacıyla otomotiv imalatında sıklıkla kullanılmaktadır. Şase, kapı takviye sacı ve direk imalatında kullanılan bu sacların birleştirilmesi genellikle elektrik direnç nokta kaynağı ile yapılmaktadır. Elektrik direnç kaynağı, otomotiv imalat sektöründe robot kullanarak otomatikleşme ve seri üretime olanak sağlaması nedeniyle önemli bir yer tutmaktadır. Bir diğer önemli nokta ise kaynaklı birleştirme esnasında kaynak kalitesini etkileyen kaynak parametreleridir. Elektrik direnç nokta kaynağı için bu parametreler kaynak akımı, kaynak zamanı ve kaynak çene baskı kuvvetleridir. Bu çalışmada, 1200M ve DP800HF AHSS sacların elektrik direnç kaynağında kullanılan kaynak akımı, kaynak zamanı ve kaynak çene baskı kuvvetlerinin nokta çekirdeği (kaynak dikişi) sertliği üzerine etkisinin, Taguchi yöntemiyle optimize değerleri incelenmiştir. Optimizasyon uygulamasında kullanılan Taguchi metodunda L18 ortagonal serisi kullanılmıştır. Bu seri ile birlikte optimizasyon sonuçlarının kontrol edilmesinde sinyal/gürültü (S/N) oranı belirleyici olmuştur. Deneysel çalışmalar ve optimizasyon işlemi sonuçları incelendiğinde gerçek uygulama ve Taguchi optimizasyonu ile yapılan analizden elde edilen sertlik sonuçlarının birbirine yakın olduğu görülmüştür

Online Measuring Power Factor in AC Resistance Spot Welding

The power factor is a very important process variable in ac resistance spot welding (RSW) operation. Because of the variation of welding load during the welding process, the power factor is a time-varying variable. The power factor of RSW cannot be obtained online because the value of power factor angle cannot be directly measured in real time. After analyzing the electrical structure of RSW, a new algorithm for measuring the power factor angle in real time is developed. Then, an integrated algorithm for calculating the power factor on a practical discrete system in real time is proposed. Experiments were conducted to validate the effectiveness of the proposed method. The experimental results showed that the proposed algorithm can be used to obtain more accurate values of the power factor angle than using other methods over a very large operation range. The final results of power factors obtained from the proposed algorithm are very close to the results from the numerical simulation

Перетворювачі електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання

Дисертація присвячена дослідженню перетворювачів електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання. Контактне зварювання широко застосовується для з’єднання металевих деталей в електронній промисловості, приладобудуванні, машинобудуванні, автомобіле- та літакобудуванні, космічній техніці, медицині та інших галузях. Контактне зварювання здійснюється шляхом затискання двох металевих деталей між двома електродами з необхідною силою стиснення та пропускання крізь них імпульсу електричного струму необхідної форми, амплітуди та тривалості. У місці проходження струму деталі нагріваються до рівня температури плавлення та з’єднуються між собою. Такий процес зварювання є досить складним, оскільки електричний опір зони зварювання має складний, нелінійний характер та залежить від матеріалу, товщини і шорсткості поверхні деталей та електродів. Такі властивості контактного зварювання ускладнюють процес проектування джерел живлення для його реалізації. В більшості випадків основною і єдиною вимогою, що виставляється до зварних з’єднань – їх міцність. Однак є галузі промисловості, де з’єднуються деталі відповідального призначення і відсутність виплесків часточок розплавленого металу, а також висока повторюваність відтворення параметрів зварних точок має критично важливе значення. Вимога до відсутності виплесків при зварюванні мініатюрних деталей, або деталей компонентів відповідального призначення пов’язана з тим, що часточки металу, які застигли після процесу зварювання, можуть викликати короткі замикання в функціональних елементах електронних приладів, спотворення сигналів, шуми і т.п. Висока повторюваність з’єднань необхідна під час виготовлення складних виробів, за наявності великої кількості зварних точок, від якості кожної з яких значною мірою залежить якість готового виробу. Основне завдання формування необхідних для зварювання параметрів покладається на джерело живлення (також відоме як формувач імпульсів струму), яке забезпечує необхідну форму, амплітуду та тривалість імпульсу зварного струму. На практиці використовують різні форми імпульсів зварного струму, наприклад імпульси постійного чи змінного струму, імпульси пульсуючого струму, або ж комбінації вищезгаданих форм імпульсів струму. Використання імпульсів постійного струму дозволяє покращити якість отриманих з’єднань, особливо у випадках зварювання мініатюрних деталей. Ряд досліджень показує, що при зварюванні деталей товщиною до 0,5 мм, важливу роль відіграє рівень пульсацій зварного струму. Малий розмах пульсацій дозволяє отримати зварні з’єднання високої міцності без виплесків металу. Також додаткові елементи фільтрів для зниження пульсацій струму вносять значну інерційність в контур зворотного зв’язку, що може погіршити якість роботи системи керування та відобразитися на точності відтворення струму. На сьогоднішній день відома велика кількість способів побудови джерел живлення для контактного зварювання. Найбільш перспективним вбачається побудова джерела живлення на базі транзисторного перетворювача, який здатний забезпечити високу точність формування струму в навантаженні, а також вищий рівень енергоефективності порівняно з іншими видами джерел живлення. Відомо, що транзисторні перетворювачі з безперервним керуванням дозволяють отримати високу точність відтворення кривої зварювального струму, однак забезпечують досить низьку енергоефективність. Транзисторні перетворювачі з імпульсним керуванням забезпечують більш високий коефіцієнт корисної дії, однак точність формування струму на виході знижується. Дещо знизити потужність втрат одночасно зі збереженням високої точності формування струму дозволяє використання перетворювачів зі спільним використанням безперервного та імпульсного режимів керування транзисторами. Однак для подібних рішень питання поліпшення показників енергоефективності все ще залишається актуальним. Використання понижуючого перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій, що працює в імпульсному режимі, дозволить забезпечити високу точність формування зварювального струму одночасно з низькою потужністю втрат, властивою транзисторним перетворювачам з імпульсним керуванням. Використання модульного способу побудови джерела живлення з n уніфікованими модулями перетворювачів, що підключені паралельно та працюють на спільне навантаження, дозволить покращити точність формування струму, підвищити рівень потужності в навантаженні без використання громіздких компонентів, а також технологічність, гнучкість перебудови та рівень уніфікації перетворювача. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, сформульовано мету та задачі наукових досліджень, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення та наведено дані про апробацію результатів дисертації та публікацій. У першому розділі розкрито особливості перебігу процесу контактного зварювання, проведено аналітичний огляд наукових публікацій з метою дослідження існуючих технічних рішень та принципів побудови джерел живлення для контактного зварювання, обґрунтовано вибір транзисторного перетворювача з використанням імпульсного способу керування транзисторами. Також розкрито особливості побудови перетворювачів з модульною структурою, які дозволяють виконати побудову більш енергоефективних та надійних джерел живлення для контактного зварювання, обґрунтовано вибір модульної топології перетворювача. У другому розділі розглянуто топології транзисторних перетворювачів, які можуть бути використані як базовий модуль джерела живлення з модульною структурою для контактного зварювання. Проведено оцінку енергоефективності транзисторних перетворювачів під час роботи на імпульсне навантаження з високою амплітудою струму, характерною для контактного зварювання. У розділі наведено формули, які описують процеси у транзисторних перетворювачах, а також проілюстровано діаграми їх роботи. Обґрунтовано вибір перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій як базового модуля джерела живлення для контактного зварювання, в якому використання додаткового конденсатора дозволяє знизити рівень пульсацій струму навантаження. У третьому розділі побудовано математичні моделі базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій та перетворювача, що складається з n уніфікованих модулів перетворювачів зі зниженим рівнем пульсацій. Показано, що модель перетворювача з модульною структурою для контактного зварювання та зниженим рівнем пульсацій є універсальною та може бути використана для n-ї кількості базових модулів, що працюють на спільне навантаження. Крім того, наведено логарифмічні амплітудно-фазові частотні характеристики перетворювачів, що демонструють їх роботу та запаси стійкості. У четвертому розділі наведено імітаційну модель базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій та діаграми його роботи. Також наведено схему електричну принципову та фізичну модель базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій. Імітаційне моделювання та результати практичних досліджень підтверджують висунуті припущення про значне зниження рівня пульсацій струму на виході перетворювача. Також у розділі наведено рекомендації з вибору конденсатора вторинної гілки перетворювача, параметри якого впливають на рівень пульсацій струму навантаження. У загальних висновках автором представлені наукові та практичні результати дисертаційного дослідження та рекомендації щодо їх використання. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1. Вперше показано, що використання топології перетворювача для контактного зварювання в якому за рахунок додавання ланки компенсації пульсацій струму навантаження та використання модульної структури забезпечується отримання високих показників енергоефективності та точності формування імпульсів струму. 2. Вперше побудовано математичну модель одного модулю перетворювача з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій, яка враховує паразитні опори елементів схеми, дозволяє виконувати аналіз динамічних характеристик та визначення прийнятних з практичної точки зору параметрів налаштувань регулятора. 3. Вперше побудовано математичну модель перетворювача для довільної кількості модулів, яка дозволяє виконувати аналіз її динамічних характеристик та визначення прийнятних з практичної точки зору параметрів налаштувань регулятора. 4. Вдосконалено методику синтезу регулятора, яка базується на запропонованій моделі одного модуля перетворювача та дозволяє отримати опорні налаштування регулятора і шляхом поступового наближення забезпечити його прийнятні з практичної точки зору параметри. Практичне значення отриманих результатів дисертації: 1. Розроблена схема електрична принципова одного модуля на основі запропонованої топології перетворювача з додатковою ланкою компенсації пульсацій струму навантаження, а також експериментальний зразок перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання, які можуть бути використані при побудові джерел живлення для контактного зварювання, а також інших застосувань, коли важливе значення має точність вихідного струму за умови мінімізації потужності втрат. Відхилення сформованого струму навантаження від заданого не перевищило 3%. 2. Розроблена імітаційна модель одного модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання, яка може бути використана розробниками при проектуванні джерел живлення для контактного зварювання з n-модулями, коли важливе значення має точність вихідного струму за умови мінімізації потужності втрат, а також гнучкість при зміні конфігурації джерела живлення. 3. Вдосконалено методику розрахунку втрат в імпульсному понижуючому перетворювачі для контактного зварювання з врахуванням втрат на індуктивних елементах схеми, яка може бути використана під час проектування

Critical analysis of determining induction motor operating power factor using measurement and estimation techniques

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonInduction motors are the most used in commercial and industrial areas that consume the majority of generated electrical energy. The induction motors always create a low power factor. The low power factor not only create a penalty charge for industrial customers, but also produces energy losses in electrical systems. To prevent such issues, the users responsible to maintain the power factor to unity. Many researchers expressed that reactive power compensation by capacitors bank can be a substantial solution to maintain the power factor in the desired level at any loads, but providing the optimal reactive power still is a controversial topic. In the last decade, the power factor correction formula leads to obtain the optimal reactive power using measurement of input power and the operating power factor. However, measurement of these values synchronously create difficulties at any loading points. This research will examine a solution to determine the operating power factor of induction motors against input power from no-load to full/over-load conditions using measurement and estimation techniques. In this thesis, estimation techniques including Kriging, regression, neural network and support vector regression are implemented in three different induction motors with the size of 250 W, 10 HP and 100 HP in order to identify the best estimation technique. In these cases, the support vector regression technique with some inputs data determined the power factor and input power at every desired loading points with high accuracy. These estimated values contributed to obtain the optimal reactive power and so prevent under or over correction at any loading points