One of the major electrical faults of synchronous machines is an interturn short circuit in the stator winding, due to winding insulation failure. A synchronous machine is designed to have electrical and mechanical symmetry in the stator and rotor. An interturn fault in a synchronous machine damages the symmetrical property, thereby inducing abnormal symptoms like varying torque, mechanical vibration, and deviation of stator and rotor terminal currents from their usual waveform. This last symptom is what is studied in this thesis, as an indicator of the presence of an interturn fault. An interturn fault during machine operation can lead to a catastrophic machine failure and consequent long outage, unless it is rapidly detected and the machine shut down. Prevention of such outages is an important concern for machine owners and power system operators. That is why early detection of interturn faults is desirable to prevent such machine failure. Several external sensors can be implemented to detect such interturn fault, which is costly. That is why it is desirable if the interturn fault can be detected by analyzing the measured currents that already are available to a protective relay. In this thesis a simulation approach is presented to observe the pattern and frequency spectrum of rotor field current in presence of a stator inter turn fault. All simulations have been performed using Matlab-based programs written during this thesis work in the Electromagnetic department (ETK) in KTH. The outcome of the thesis is that in the presence of an interturn fault in the stator, several even harmonic components are found in the frequency spectrum of the rotor field current. The presence of these harmonics is not a definitive sign of an interturn fault, as almost the same even harmonics are found in the rotor field current if the stator winding asymmetry is taken into account. / En av de största elektriska felen i synkronmaskiner är en kortslutning mellan varv i statorlindningen, på grund av skadad lindningsisolering. En synkronmaskins konstruktion ger elektrisk och mekanisk symmetri i statorn och rotorn vilket ger en hög effektivitet. Ett varvfel i statorn skadar symmetrin och inducerar onormalt stora strömmarvilket leder till ett tidsvarierande vridmoment, mekanisk vibration, och onormala vågformer av strömmarna vid statorns och rotorns poler. Varvfel under maskinens drift kan snabbt orsaka stora skador, med följd av långa avbrottstider. Förebyggande av sådana avbrott är viktig hos maskinägare och systemansvariga. Därför är snabb detektering av sådana fel, och urdrifttagning av maskinen önskvärd för att minska skadan. Däremot ska detekteringen ha låg sannolikhet att lösa ut i onödan, av annat skäl. Externa sensorer kan användas för att upptäcka sådana fel, men det är tydligt önskvärt om detekteringen kan göras genom att analysera strömmarna som redan mäts av skyddsreläer för synkronmaskiner. I denna avhandling presenteras en metod för att simulera och observera mönster och frekvensspektrum av rotors magnetiseringsström i fall där statorn har varvfel, samt i andra fall som måste kunna skiljas från varvfel. Alla simuleringar har utförts med Matlab hos avdelningen för Elektroteknisk teori och konstruktion (ETK) i Skolan för Elektro- och systemteknik (EES) på KTH.

Småskalig vattenkraft är en stor användare av reaktiv effekt då de ofta har asynkrongeneratorer. Det gör att det finns ett reellt behov för faskompensering, dels för att minska distorsion i nätet samt för att förbättra deras ekonomiska ställning, då elbolag ofta tar ut en avgift för överskridande användning av reaktiv effekt. Det ligger också i allmänhetens intresse att ha en god elkvalitet och hålla störningar och avbrott nere, vilket kan erhållas med faskompensering och filtrering av övertoner. Det finns olika tekniker för faskompensering med sina respektive för- och nackdelar som specificeras efter anläggningens krav och förhållanden. Dessa tekniker är ett kondensatorbatteri, passiv och aktiv reglering, övermagnetiserad synkronmaskin, static var compensator (SVC) och static synchronous compensator (STATCOM). Med hjälp av simuleringar och ekonomisk kalkylering har deras egenskaper och investeringspotential analyserats. Det har resulterat i att ett kondensatorbatteri är en ekonomiskt god investering men med nackdelen att det blir en stor transient vid inkoppling. Aktiv reglering bistår med en snabb, kontinuerlig faskompensering men har större driftkostnader och en kortare livslängd. Övermagnetiserad synkronmaskin har en god ekonomisk framtidsutsikt men med en något långsammare reaktionstid. SVC och STATCOM är mer applicerbar på större anläggningar, eller för nät som har en större nytta av dess flexibilitet. / Small scale hydropower is a big user of reactive power, mainly because of their use of asynchrounous generators. Power companies are charging their customers a fee for an extensive use of reactive power. Which gives rise to a need of correction of the power factor as well as reduction of distorsion in the network. It is also in the interest of the general public to acquire a good electric quality in terms of keeping distorsion and interruptions in the network to a minimum. This can be achieved by using different methods for power factor correction and filtration of harmonics. These methods have their own inherent advantages and disadvantages described after the facility’s specific needs and requirements. These methods are a capacitor bank, passive and active regulation, overexcited synchronous machine, static var compensator (SVC) and static synchronous compensator (STATCOM). Simulations and economical calculations have been used to determine these properties. A capacitor bank has been proven to be a good economical investment, but it has high transients during switching conditions. Active regulation also shows a good profitability and provides a fast, continuous regulation of the reactive power, though it has higher operating costs and low life expectancy. The overexcited synchronous generator has a positive outlook in economic terms, with the drawback of a slower response time. SVC and STATCOM are more applicable to larger facilities or weak networks.

In industrial settings, a common challenge associated with electrical machines is the lack of parameters, which are not always available from the machine manufacturer. These parameters play a crucial role in tuning the control gains of Field-Oriented Control (FOC). Traditional parameter identification methods, widely accepted in the literature, are the standard IEEE tests such as DC measurement, no-load test, locked-rotor test, and short circuit test. However, their implementation can be impractical as they necessitate additional equipment that may be costly and not readily accessible. This thesis addresses self-commissioning procedures as a solution to this challenge, aiming to automatically identify electrical parameters of machine equivalent circuits. Specifically, this study focuses on the Imperix motor testbench, comprising Induction Machine (IM) and Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM). Self-commissioning utilizes signal injection through a power converter and the available sensors, with minimal operator intervention and no additional equipment. For the SPMSM, the parameters under study include the stator resistance, the synchronous inductance, and the Permanent Magnets (PM)-flux. The resistance is estimated through DC current injection considering the inverter non-linearity. The synchronous inductance and its saturation characteristic are examined using high-frequency sinusoidal injection with and without DC bias via a Current Controller (CC), and square wave voltage injection through hysteresis control. The PM-flux is determined by accelerating the SPMSM using the IM as a prime mover in an open circuit configuration. This deviation from the standstill constraint of the self-commissioning procedure is necessary as the PM’s effect becomes visible only when the rotor speed is non-zero. For the IM, the stator resistance, the leakage inductance, the rotor resistance, and the magnetizing inductance are analyzed. The stator resistance and inverter non-linearity are identified using the same method as for the SPMSM. The leakage inductance is tested with a high-frequency sinusoidal injection with stepped DC bias, with which the saturation characteristic is built. Then, a DC-biased low-frequency sinusoidal injection identifies the rotor resistance. The magnetizing inductance is not identified in this work because of the extensive nature of the problem and time constraints. Comparison with standard IEEE tests serves as validation, demonstrating close alignment of the results, except for discrepancies in the unsaturated SPMSM synchronous inductance estimation. The introduced innovation involves adapting existing procedures, initially developed for other AC machines, to SPMSM applications, for which only limited literature is available. Overall, this work makes a valuable contribution to understanding the influence of inverter non-linearity and saturation behavior on parameter identification. It also opens the door to integrating saturation effects into control algorithms, which enables dynamic adjustment of FOC gains, potentially enhancing control performance. / I industriella miljöer är en vanlig utmaning i samband med elektriska maskiner bristen på parametrar, som inte alltid är tillgängliga från maskintillverkaren. Dessa parametrar spelar en avgörande roll för att ställa in kontrollförstärkningarna för fältorienterad kontroll (FOC). Traditionella metoder för parameteridentifiering, som är allmänt accepterade i litteraturen, är standard IEEE-tester som DC-mätning, nollbelastningstest, låst rotortest och kortslutningstest. Implementeringen av dessa kan dock vara opraktisk eftersom de kräver ytterligare utrustning som kan vara kostsam och svåråtkomlig. Denna avhandling behandlar procedurer för självavstängning som en lösning på denna utmaning och syftar till att automatiskt identifiera elektriska parametrar för maskinens ekvivalenta kretsar. Studien fokuserar särskilt på Imperix motortestbänk, som består av induktionsmaskiner (IM) och ytmonterad synkronmaskin med permanentmagnet (SPMSM). Självinkoppling är en stilleståndsprocedur som använder signalinjektion genom en kraftomvandlare och de tillgängliga sensorerna, med minimal operatörsintervention och utan extra utrustning. För SPMSM studeras parametrarna statorresistans, synkroninduktans och permanentmagneter (PM)-flöde. Motståndet uppskattas genom likströmsinjektion med hänsyn till växelriktarens olinjäritet. Den synkrona induktansen och dess mättnadskarakteristik undersöks med hjälp av högfrekvent sinusinjektion med och utan DC-bias via en strömstyrenhet (CC), och fyrkantsvåginjektion genom hysteresstyrning. Flödet PM bestäms genom acceleration av SPMSM med hjälp av IM som drivmotor i en öppen kretskonfiguration. Denna avvikelse från stilleståndsbegränsningen i förfarandet för självavstängning är nödvändig eftersom PM effekt blir synlig först när rotorhastigheten är skild från noll. För IM analyseras statorresistansen, läckinduktansen, rotorresistansen och den magnetiserande induktansen. Statorresistansen och inverterns olinjäritet identifieras med samma metod som för SPMSM. Läckageinduktansen testas med en högfrekvent sinusformad injektion med stegad DC-bias, med vilken mättnadskarakteristiken byggs. Därefter identifierar en DC-baserad lågfrekvent sinusinjektion rotorresistansen. Den magnetiserande induktansen identifieras inte i detta arbete på grund av problemets omfattande natur och tidsbegränsningar. Jämförelse med standard IEEE-tester fungerar som validering och visar att resultaten ligger nära varandra, med undantag för avvikelser i uppskattningen av den omättade synkrona induktansen för SPMSM. Den introducerade innovationen innebär att befintliga procedurer, som ursprungligen utvecklats för andra AC-maskiner, anpassas till SPMSM-tillämpningar, för vilka endast begränsad litteratur finns tillgänglig. Sammantaget ger detta arbete ett värdefullt bidrag till förståelsen av hur omriktarens icke-linjäritet och mättnadsbeteende påverkar parameteridentifieringen. Det öppnar också dörren för att integrera mättnadseffekter i regleralgoritmer, vilket möjliggör dynamisk justering av FOC-förstärkningar, vilket potentiellt kan förbättra reglerprestanda.