Measurement techniques for air gap torque pulsation of synchronous machines fed by adjustable speed drive

The use of synchronous motors associated to adjustable speed drive systems (ASDS) is a rising field in oil and gas applications, since it represents a desirable alternative in high power applications due to its higher efficiency compared to AC induction machines and DC motors. However, there are some drawbacks to the use of such combination, as the pulsating torque components resultant from current harmonics which are impressed on the motor by the converters of the drive system. In spite of their small amplitude in comparison with the driving torque, these pulsating components can excite system resonances. ASDS availability is also extremely important for the plant operation. Thus, extensive factory testing is required to reveal any possible hidden weakness of the components and system design issues. Such tests may have different set-ups and follow different standards in which the amplitude of the pulsating torque components may be required. In this context, the objective of this study was the implementation of measurement techniques of pulsating torque on a 19.3MW and a 20MW synchronous machine fed by ASDS with LCI configuration. The methods employed for the measurement of the pulsating torque (Volt-Second Ampere and Modified Input Power) were selected among those available in the literature, privileging the quality of the results as well as low costs and complexity. It was also taken into account that a significant reduction of costs and complexity is achieved by using sensors already available on the test set. The results obtained evidenced the presence of pulsating torque components related to the current harmonics. The computed values for the pulsating components were inside the expected boundaries when compared to the maximum expected values, except for the components at 120 Hz, 240 Hz and 960 Hz. However, two unexpected low frequency pulsating components were present around 20 Hz and 40 Hz. Both phenomena should have their origin studied in future developments.

L'impiego di motori sincroni associati ad azionamenti a velocità variabile (ASDS) è di interesse crescente in applicazioni oil & gas, sopratutto per grandi potenze in relazione alla maggiore efficienza rispetto alle macchine asincrone ed ai motori in corrente continua. Tuttavia, ci sono alcuni inconvenienti nell’uso di tali sistemi, come le componenti della coppia pulsanti risultanti dalle armoniche di corrente che vengono impresse sul motore dai convertitori del sistema di azionamento. Nonostante la loro piccola ampiezza rispetto alla coppia motrice, queste componenti pulsanti possono eccitare risonanze del sistema. La disponibilità dell’azionamento è estremamente importante per il funzionamento dell'impianto. Pertanto, diversi test sono necessari per rivelare ogni possibile punto debole dei componenti e problemi di progettazione del sistema. Tali prove possono avere diversi set-up ed essere eseguite in accordo agli Standard IEC o IEEE. Nello Standard IEC 61800-4 è richiesta la determinazione dell'ampiezza delle componenti di coppia pulsanti. In questo contesto, l'obiettivo di questo studio è l'implementazione di tecniche di misura di coppia pulsante su machine sincrone di potenza 19.3MW e 20MW alimentate da ASDS con configurazione LCI. I metodi impiegati per la misura della coppia pulsante (Volt-Second Ampere e Modified Input Power) sono stati selezionati tra quelli disponibili in letteratura, privilegiando la qualità dei risultati nonché costi e complessità di esecuzione. E' stato anche tenuto conto che una significativa riduzione dei costi e della complessità è ottenuta utilizzando sensori già presenti nel test set. I risultati ottenuti dimostrano la presenza di componenti di coppia pulsanti relativi alle armoniche di corrente. I valori calcolati per le componenti pulsanti sono all'interno dei limiti previsti quando confrontati ai valori massimi previsti, salvo per le componenti a 120 Hz, 240 Hz e 960 Hz. Inoltre, due componenti pulsanti, non previste, a bassa frequenza sono presenti a circa 20 Hz e 40 Hz. Entrambi i fenomeni dovrebbero essere approfonditi ulteriormente per capirne le cause in lavori futuri.