Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 1,  April 201 6, pp. 79 ~ 87   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i1.pp79 -87        79     Re cei v ed  Jan uary 12, 201 6 ;  Revi sed Ma rch 1 0 , 2016;  Acce pted Ma rch 2 4 , 2016   Transient Analysis of a Multi-phase Induction Machine  Operating as Generator      Alok Kum a r Mohan t y * 1 , K B Yadav 1 Researc h  sch olar, De partme n t of Electrical   and El ectron ics Engg, NIT  Ja mshed pur, Indi 2 Departme n t of Electrical a nd  Elec tron ics En gg, NIT  Jamshedp ur, India   *Co rre sp ondi ng autho r, email: alokm o h@g m ail.com       A b st r a ct   Multi-ph ase  machi nes are   c onsi dere d   s e ri ous  c onte nder s as c o mp are d  to t he t h re e p has e   mac h i nes  for varia b le ap plic ations in ge ne rating mod e T h is  pa per pr esents  th tra n sie n perfor m an c e   ana lysis of  a mu lti-ph ase   in ductio n  mac h i ne oper atin i n  six-p has mode  for p o w e r ge nerati on. In  th i s   pap er the si mulati on a nd ex peri m e n tal a n a l ysis of  a six-p hase  mac h in in ge nerati ng  mo de h a ve b e e n   ma de. T he s i mulati ons ar made  an d the  machi ne fu ncti on ality w a s inv e stigate d  d u rin g  n o -lo ad a nd w h e n   subj ected to  d i fferent types   of lo ads. Exp e r imental  re s u lt s are  provi d e d  to confir m th e a b il ity of the s mo de ls to  rep r esent  duri n g   no  loa d   as w e ll  as  dur ing  l oad  p e rio d   an d the  res u lt w e re fo un d to   be   satisfactory for pow er gen erati o n    Ke y w ords : Mu lti-ph ase, self-e xcited,  Inducti o n  gen erator, transi ent         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The incre a si ng co ncern  of the enviro n men t, esp e c ially the gre enho use effects, ha motivated th e wo rld to ward s expl orin g the u s of ren e wable  energy sources a nd  red u c e s   depe nden cy  on fossil fuel s. Most of th e ren e wabl e energy  so urces,  such as wind,  mini -hy d ro,  etc. are u s ual ly available in  remote  area s. A  self -excit ed ind u ctio gene rato r is f ound to  be v e ry  suitabl e to ge nerate  ele c tri c al po we r in  remote a r e a s from ren e wa ble ene rgy source s, su ch  as  wind an d min i -hydro turbin es [1]. A SEIG has  ma ny advantag eou s feature s  ov er its co unterpart  synchro nou s gene rator.  These features a r lo w cost, hig h  reliability, maintena nce  and   operational  simplicity, rug ged  con s truction, bru s hl e s s op eratio n, prote c tion  a gain s t overl o ads  and sh ort ci rcuits, etc. Even though a  SEIG is very  suitable for  wind an d min i -hydro plants,  it  can  also efficiently be u s e d  with  prim movers d r ive n  by othe r en ergy  sou r ces,  su ch  as  die s el,  bioga s, natu r al ga s, gasoline, etc.In  compa r i s on  with three  pha se ma chi nes, multiph a se   machi n e s  are con s ide r e d  as an alternative fo r variable  spee d  applicatio ns.  As there is  a   increa se in  d e mand  of en ergy de man d  durin the l a st few  de ca des, the  use  of rene wa ble   energy so urces h a be co me e s sentia and a s  a  re su lt of this, the i n vestigatio of the self -ex c ited   indu ction ge n e rato r ha s ga ined impo rta n ce a s  it  is p a rticul arly for rene wabl e p o we r gen eration  appli c ation s  [2, 3, 4]. The  applicatio n of self-exc ite d  indu ction g enerator du e  to its decre a s ed   unit cost,  si mple to  ope rate an d e a se in  maintai n ing i s  m o st  suite d  in  re newable  ene rgy  system s. Th e advantage s of self  excited ind u cti on gen erato r  are no sep a rate sou r ce  for   excitation is  required, protection  from o v erload, g ood  transi ent pe rforman c e,  simple an d ro b u st  con s tru c tion  and ea se in  maintena nce. As the ra tin g  of power i s  increa sed a nd high  relia bility  requi rem ents,  rese arch in t he are a  of multi-pha se m a chin es [2, 3, 4, 5] have been increa sin g .   In this pape r the analytical an d exp e rime ntal  an alysis of a  self excited  indu ction  gene rato r op erating i n   six phase mo de ha s b een  ca rrie d  out.  The math e m atical m o d e l is  impleme n ted in simulatio n  platform for conne ction  of pure  resi stive  load, re si stive-ind u ctive lo ad   and resi stive-indu ctive-cap a citive load  with cert ain v a lue of  capa citor that i s  conne cted  across  self excite d i ndu ction g e n e rato r op erati ng in  six ph ase  mode. E x perime n tatio n  is d one  on  a   prototype of  six-pha se in du ction ge ne rat o r mad e   for t he analy s is t o  validate the  results obtai ned   in the simulati on.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  79 – 87   80 2. Modeling of a Multi-Ph ase Self Exci ted Induc tio n  Gener a tor   The sche ma tic diagram of the basic two- pol e si x-pha se ind u ction g ene rator is  discu s sed i n  [ 5 ].  A Six pha se i ndu ction   gene rato co nsi s ts  of two  stator wi ndin g  sets nam el y abc  and 123, wh ose ma gneti c  axes are di splaced by an  arbitra r y an gle  α . The winding s of ea ch   three - ph ase set are unifo rmly distrib u t ed and h a ve  axes that are displa ced  120 0 ap art. The   three - ph ase rotor wi ndin g s ar, br, cr a s   sho w n in  Fig u re 1  are  also sin u soi dally  distrib u ted a nd  has  axes tha t  are di spla ced by 120 0 The eq uation s  for the  self  excited ind u c tion g ene rat o operating in   six pha se  mo de, de scrib e s the be havio r of a multi-ph ase  ma chine,  it is a s sume that the  neutral of  both th stator  wi ndin g  sets are  se parate   so th a t   if a fault  occurs in  on set  of  the stator win d ing s  it does not propag ate to  the other set. The followin g  voltage equation s   are   written fo r a  multi-ph ase indu ction ma chine a s  sho w n in e quival ent circuit of  the machine  in   Figure 2.          Figure 1. Phasor di ag ram repre s e n tation  of st ator and  rotor  windi ng s of six-p hase indu ction  gene rato         Figure 2. Circuit representa t ion self e x ci ted induction generator in six phase operation      For  th d e vel opment   of  m odel of  the si x-pha se ma chine ope ratin g   in gen erati ng  m ode  the differe ntia l equ ation s  a r e de rived f r o m  the  equi val ent ci rcuit of t he ma chi ne.  From  the  abo ve   equivalent  ci rcuit we get  the equatio ns [5] and the model  was bei ng sim u lated in Ma tlab/  Simulink pl atform.       3. Simulation Resul t s an d Discus s io ns   The sim u lati on mod e l a six-ph ase self excited ind u ction g ene rator is  sho w n in the  Figure 3. Th e blo c ks ma de for the  machi ne  in cl ude six-ph ase  machine block,  mag n etic  indu ction bl o ck, to rqu e  bl ock an d the l oad bl ock  [6,  7]. The dyna mic respon se  of the sy ste m  is  analyzed in   MATLAB plat form  whe n  th e ma chin e i s   at no lo ad  co ndition a nd  when  su bjecte d to  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Tran sie n t Analysis of a Mu lti-pha se I ndu ction Ma chin e Operating a s  Gen e rato r   ( A lok Kum a r M.)  81 different type s of lo ad s. Th e data  of the  machi ne  use d  for the  sim u lation m odel  are  given in   the   Appendix.           Figure 3. Simulation mod e l  of six-pha se  indu ction ge n e rato     3.1. Voltage  and Cur r en t Ch arac teri stics  w h en  Excited by   Capa citan c e  under No L o ad  Conditio n   Figure 4.sh o w s the voltag e build up of  the inductio n  machine u nder n o  load  conditio n   whe n  the m a chi ne is ex cited by exci tation cap a cit ances valu es. The machi ne is excite d  by  41µF. It is observe d that the magnitud e  voltage and  cu rrent rise fro m  their initial small value s   of  voltage a nd  currents to th e  stea dy  state  voltage  and  curre n t.  The  excitation cu rrent  i s  depi ct e d   in the fig u re   and it i s   observed th at th e mag n it ude   of cu rrent in crea se with t he in crea se i n   cap a cit a nc e v a lue s .     3.2. Voltage  and Curren t  Ch arac teri stics  w h en  the Six-Pha s e  Machine i s  subjec ted  to  Resis t iv e Lo ad   In this mo de  of ope ration,  at time  = 0. 3s the  ma chi ne is l oad ed  by a load  of  = 200  ohm with a  c-b ank  co n necte d acro ss both the  three - ph ase windi ng sets   abc an d 1 2 3   respe c tively. The re sult s a r e shown in  Figure  5. The  terminal voltage ha s de creased from 2 4 0   volts to 20 whe n  the m a chin e is subje c ted to l oad  a t  0.3 se co nd s. The effe ct o f  the de cre a se in   terminal voltage will cause a decrease i n  the capac it or current; this furt her affects the voltage  regul ation of the gen erato r .             Figure 4. Phase voltage a n d  curre n t at both the se ts o f  the machine  during n o  loa d  con d ition     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  79 – 87   82       Figure 5. Phase voltage a n d  curre n t at both t he sets o f  the machine  during  re sisti v e load  condition            Figure 6. Phase voltage a n d  curre n t at both the se ts o f  the machine  during  re sisti v e inductive  load conditio n             Figure 7. Phase voltage a n d  curre n t at both the se ts o f  the machine  during  re sisti v e inductive  load conditio n       3.3. Voltage  and Curre n t  Char ac teri stics  w h e n  the Six-Phas e Machine i s  Subjecte d  t o   Resis t iv e-In ductiv e  Load   At  = 0 s,  a shunt cap a citor  with capa citan c e 4 1 μ F is co nn ected a c ross both the   windi ng te rmi nals of th e in ductio n  g ene rator with out  any loa d , a n d  voltage  i s   gene rated.  T he  load is  switch ed on at  0.22 s. It is o b se rved that  the term inal  voltage is red u ce d by bigg er  value. RL loading  operation caus es  a poor voltage charac teris t ic   of the SPSEIG. This  is  due to  the main disa dvantage of this ge nerator  and can  be e x plained a s  resultin g from  unde r excitati on  of the machin e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Tran sie n t Analysis of a Mu lti-pha se I ndu ction Ma chin e Operating a s  Gen e rato r   ( A lok Kum a r M.)  83 3.4. Voltage  and Curre n t  Char ac teri stics  w h e n  the Six-Phas e Machine i s  Subjecte d  t o   Resis t iv e-In ductiv e -Cap acitiv e  Load  The transient  response of  the SPSEIG i s  feeding an RLC load (200 ohm. 08H, 12 μ F) a s   sho w n. The l oad is switch ed on at  = 1s. It is observ ed from the result s sho w that the termina l   voltage an d current attain t heir  new ste a d y-state  ope ration, but wit h  a  slight red u ction  of outp u voltage. The effect of the RLC load on  the SPSEI output voltage can be com pensated usi ng a  seri es  (and/o r  parallel )  ca p a citor. However, it  can be seen that for the RL C load  use d  in the test,  the SPSEIG  output voltage is still  consi derably affected by t he connection of the load.      4. Experimental Set Up of Six-Phas e Induc tion M a chine Oper ating in Gener a ting Mode   In orde r to validate the re sults o b taine d  fr om the si mulated sy stem  a prototype of six- pha se ma chi ne set up wa s made. A three ph ase induc tio n  mach ine whi c h co nsi s ts of thirty six  slots, 2.9A, 4 15volts, 1 Kw squi rrel  cag e  machi ne  was used. Th e se venty two terminals  of stator  were taken o u t of the ma chine in  ord e to test the m a chi ne for  six - pha se  ope ra tion and l oadi ng  test to b e  p e r forme d  in  th e ma chin e. T he multi - ph ase ma chin was  co nne cted  to a  DC m o tor  whi c h act s  as a prime  mover whi c h   is  rotatin g  at  100 0 rpm .   At  first  the   self   excitati on   phen omen on  of multi-pha se i ndu ction  gene rato wa s a nalyzed b y  plotting the  magn etizati o n   cha r a c teri stics. The ma gn etizat ion  cu rve sho w s the i n tersectio n  of  the no load t e rmin al voltage  with the  cap a citor load  line. At no-lo a d , the ca pa ci tor current Ic = V/Xc mu st  be eq ual to  the  magneti z ing  curre n t Im=V/Xm. The voltage is a fun c t i on of Im, linearly risi ng unt il the saturati on   point of the  magneti c  core is rea c hed.  The outp u t frequ en cy of the self -excite d  gene rato r i s f= 1/(2 π CXm) and  ω =2 π f where  C is self-exciting  cap a citan c e.           Figure 8. Multi-pha se in du ction gene rato r co n n e c ted to the excitation ca pa citors and  trans former          Figure 9. Win d ing pattern o f  a six-pha se  indu ction ge n e rato       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  79 – 87   84     Figure 10. Magneti z ation  curve of  six-pha se in du ction gen erato r       4.1 Self Excitation Tr ansi ents o f  Six-P h ase Induc ti on Gener a to To dem on strate the volta ge an d cu rre n t transi ent d u ring th e an alysis  duri n g  no load  con d ition  at first  excitation  is  bein g  p r o v ided to th set a b c by  conne cting  a  delta  con n e c ted   cap a cito r ban k of 38 microf arad to one o f  the two  stator set s  and the machine i s  driven at 10 00  rpm by a pri m e mover an d the voltage and cu rre nt  transi ents a r e observed a nd in the se cond   ca se the ex citation cap a ci tor ban k is  conne cted to  the 123  set and the volta ge and  cu rre n transi ent a r e  ob serve d  [8 , 9]. The  st eady  st ate v o ltage  and  current  wavef o rm s of  du ring  excitation at either of the two sets have  been a nalyze d whi c h is a s   sho w n in Fig u re 11 -1 3.              Figure 11. (A) Excitation at set ab c, V/I tr ansi ent at set  123 (B)  stea dy  state voltage & current  waveform at set 123  whe n  excitation at set ab             Figure 12. (A) Excitation at set ab c, V/I tr ansi ent  at set  abc (B ) stea dy state voltage & current  waveform at set ab c wh en  excitation at set ab 0 100 200 300 400 0 5 10 15 20 Vg (v o l t) Im (amp) Self- excitation  of  IM  w i th  shunt capacitors at  nominal frequenc y Magnetization curve Csh= 90  mF Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Tran sie n t Analysis of a Mu lti-pha se I ndu ction Ma chin e Operating a s  Gen e rato r   ( A lok Kum a r M.)  85           Figure 13. (A) Excitation at set 123, V/I transi ent  at set  abc (B ) Excitation at set 1 23, V/I  transi ent at set 123 (C) ste ady state voltage &  cu rre nt waveform at  set 123  whe n  excitation at  set 123  (D) st eady state vo ltage & curre n t wavefo rm  at set abc  wh en excitation  at set 123       4.2 Loading  Transien ts o f  the Six-Ph a se Inductio n  Genera tor   Duri ng thi s  a nalysi s  the  si x-pha se  indu ction  ma chin e is loa ded  a nd the  tra n si ents  are   observed at t he two  stator  sets.  To find  possibilit y of  supplying two different l oads from one  si x- pha se ma chi ne, static three-p h a s sta r  co nne cted  resi stan ce l o ad we re  con necte d to ea ch  three - ph ase  windi ng  set. The voltage  a nd current  wa veforms  of th e set s  ab an d 123 fo r lo ad ing   at one  set an d the tra n si en ts at the othe r set  have  b e en  an alyze d  as sho w i n  Figures 14-1 7 It  is fou nd that  loadin g  at a n y  of the two  three - p h a s sets affe cts th e voltage  an d current of  b o th  windi ng sets.                 Figure 14. (A) Excitation at set ab c, V/I tr ansi ent  at set  abc when re sistively load ed with lo ss o f   transfo rme r  i nput 123 (B ) Excitation at set ab c, V /I tr ansi ent at set  abc wi th lo ss of transform er  input ab c (C)  Excitation at set ab c, V/I tr ansi ent  at set  abc for  step  unloa ding fro m  transfo rme r   output     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  2, No. 1, April 2016 :  79 – 87   86     Figure 15. Steady state vo ltage & curre n t waveform   at set abc  wh en excitation  at set abc fo r a  resi stive load               Figure 16. (A) Excitation at set ab c, V /I tr ansi ent at set  123 for ste p  loadin g   (B) Excitation  at set abc, V/I transient at  set 123 d u rin g  unloa ding           Figure 17. Steady state vo ltage & curre n t waveform   at set 123 wh en excitation  at set abc fo r a  resi stive load       5. Conclusio n s   In  this pap er an  a nalytical  model of  a   si x-pha se   indu ction gen erat or have been   mod e led   in whi c h  tra n s ient  behavio r of the  ma chi ne  when   subj ected  to different types  of l oad s have  be en  analyzed. To  demon strate  the ability of the si x-ph a s e ma chi ne  to feed two  different loa d s   con n e c ted a c ro ss its  sta t or termin als experim ent al re sults  h a ve bee n prese n ted. In  the   experim ental  analysi s  the  voltage an d  cu rre nt tran sient a nd  ste ady stat e be havior of  cu rrent  have bee n a nalyze d  du rin g  no loa d  an d loade d co n d itions  whe n   excitation is  being p r ovide d  to   either of the  two stato r   windi ng sets.  It is f ound that the six-p hase gen erator is  ca pabl e  of  sup p lying  to  different  lo ad s con n e c ted across  it stat or  te rminal s a nd can   be   ex cited witho u t an probl em s u s i ng a  3-pha se  ca pa citor. It  implies that  l o ss of  excitat i on at  one  of  the thre e-pha se  sets can  be  su stain ed  a nd o peration  undi srupted.  The r efo r a   six-pha se  machi ne ca n   be   con s id ere d  re liable a s  com pare d  to thre e pha se ma chine s     Appe ndix   The  par am et ers  of  the  s i x  p h a s e  s e l f - e x c i t e d  ind u ct io gen erat or  u s ed  in   simu la tio n   are  a s   foll ows: Resi stan ce s in the stator  windi ng:  r = r = 1. ohm   Lea ka ge  i n d u c t a n c e s  in th e stator  windi ng:  L l1  = L l2  = 0.01 33  H,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Tran sie n t Analysis of a Mu lti-pha se I ndu ction Ma chin e Operating a s  Gen e rato r   ( A lok Kum a r M.)  87 Re sista n ce in  the rotor wi n d ing:  r = 2.2 ohm   L eak ag e   in duc tan c e in the ro to r  w i n d i n g :  L lr  = 0.01 33  H,  L lm ’  = 0.011 1   H,J = 0.03  K g   /m 2   = 0. 1 4 1 ,   b   = 0. 001 = -0. 0 0 1 a nd  = 0.0 0 0 0 5 0       Referen ces   [1]    Sing h GK. “Self excited i n d u c t ion ge nerat or researc h -a sur v e y ”.  Electric al Power system  Researc h 200 4; 69: 107- 114.   [2]    Sing h GK. “Multi-p hase i n d u ction mac h in e drive rese ar ch – a surve y ”.  Electrical Power Syst.  Research . 20 0 2 ; 61: 139 –14 7 .   [3]    EA Klings hirn.  “High p has e or der ind u ctio n motors–Part I:  exper imenta l  results”.  IEEE Trans. Power   Appl icatio ns Systems .1 983; 1 02:54 –5 91.   [4]    EA Kligsh irn. “High  phas e or der in ducti o n  motors-Part-II-Exp e rim ental r e sults”.  IEEE Trans.  PAS - 198 3; 102( 1): 54–5 9.  [5]    Singh GKKB and Saini RP. “ Mode lin g an ana lysis of  mul t i-phas e (six-p hase) s e lf-excit ed in ducti o n   gen erator ”. Proc. IEEE Conf.  T he Eighth Internationa Confer ence on Electrical M a chines an S y stems, ICEMS’05. 20 05; 3 :  1922-2 7 [6]    B Sin gh, L  S h rid har  an d C S  Jha. Impr o v ement in th e p e rformanc e  of se lf-e xcite d  i nducti o n   gen erator thro ugh ser i es com pens atio n.  IEEE Transactions  on Energy Conversion . 20 10 ; 25: 2.    [7]    Ali Nes ba, Ra chid Ibtio u e n , Omar  T ouha mi.  “D y n amic  Performanc es  of Self-Excit ed Ind u ctio n   Generator F e e d in g Diffe rent Static  Loads“.  Serbi an Jour na l of Electrical E ngi neer in g . 20 06; 3(1): 63    76.   [8]    Sing h GK, Yadav KB, an d Sain i RP. “An a l y sis of  a s a turated m u lti-p hase (si x - p h a s e ) self e x cite d   ind u ction gen e r ator”.  Internati ona l Journ a l of  Emerg i n g  Elec tric Pow e r Systems . 2 006;7: 1 - 2.  [9]    Sing h GK, Yadav KB an d Saini  RP. “ A Self-excited six- p hase i n d u ction  gener ator for stand-a l o n e   renew ab le en e r gy  g ener atio n ”. Proc. IEEE International A gean C onfer ence on Electric  Machines,   Po w e r El ectron ics and El ectro m otions, ACE M P’07, Bordr u m,  T u rke y . 200 7: 690-6 95.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.