Torsional vibrations and resonances in axial flux PMSMs due to interharmonics presence in High power converters

High power converters deal with high Inertia mechanical loads/generators. The Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs) connected with this kind of rotating masses are subjected to fatigue, vibrations and sometimes the breakage of the shaft. In this work a deep investigation about interharmonics in high power converters is presented; a method to describe the phenomenon is proposed; the analytical presence of non-integer components in the spectrum of the electromagnetic torque of a PMSG and in AC and DC side voltages and currents of the inverter is found. The mechanical properties of two different systems are then considered; the interactions between mechanical and electrical world are at the end examined to understand the conditions of torsional vibrations in case of normal operating conditions and in case of resonance. A Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) inverter is considered for the electrical analysis, taking into account the possibility of using a two-level inverter or several two-level inverters connected in parallel. Matlab and Simulink validations are exposed in order to confirm analytical results. In chapter two a brief introduction to interharmonics is presented, describing their origins and in which kind of electrical situations they could be found. A description of torsional vibrations is provided, in order to better understand the mechanical properties involved in the study; a brief presentation about how the interaction between the electrical side and the mechanical side has been analysed in literature is reported. In chapter three the analytical derivation of interharmonics has been done, proving their existence on the electromagnetic torque of the PMSM and in the voltages and currents of the SPWM on DC side and AC side respectively. Two different cases are considered: an axial flux Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) working as motor, connected to a High Inertia Load, and the same PMSG (working as a generator) connected to a Direct Driven Wind Turbine (D.D.W.T.). Simulink validations have been done. In chapter four the mechanical properties of the two systems are analysed and compared; finally the analysis of interaction between the mechanical and the electrical world has been considered, verifying that the mechanical issues derives from electrical causes. Matlab validations have been done.

I convertitori di potenza interagiscono con carichi/generatori ad elevata inerzia. Le macchine sincrone a magneti permanenti (PMSM) collegate a questo tipo di masse rotanti sono soggette a fatica, vibrazioni e talvolta alla rottura dell'albero. In questo lavoro viene presentata una profonda indagine sulle interarmoniche nei convertitori ad alta potenza; viene proposto un metodo per descrivere il fenomeno; si cerca la presenza analitica di componenti non intere nello spettro della coppia elettromagnetica di un PMSG e nelle tensioni e correnti AC e DC dell'inverter. Vengono quindi prese in considerazione le proprietà meccaniche di due diversi sistemi; le interazioni tra mondo meccanico ed elettrico sono alla fine esaminate per comprendere le vibrazioni torsionali in caso di condizioni operative standard e in caso di risonanza. Per l'analisi elettrica viene preso in considerazione un inverter SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation), che tiene conto della possibilità di utilizzare un inverter a due livelli o più inverter a due livelli collegati in parallelo. Le convalide di Matlab e Simulink sono esposte al fine di confermare i risultati analitici. Nel secondo capitolo viene presentata una breve introduzione relativa alle interarmoniche, descrivendone le origini e in che tipo di situazioni elettriche possono essere trovate. Viene fornita una descrizione delle vibrazioni torsionali, al fine di comprendere meglio le proprietà meccaniche coinvolte nello studio; viene altresì fornita una breve presentazione di come è stata analizzata l'interazione tra il lato elettrico e il lato meccanico in letteratura. Nel capitolo tre è stata derivata analiticamente la presenza delle interarmoniche, dimostrandone l’esistenza nella coppia elettromagnetica del PMSM e nelle tensioni e correnti del SPWM, rispettivamente sul lato DC e sul lato AC. Vengono considerati due casi diversi: un generatore sincrono a magneti permanenti (PMSG) a flusso assiale, funzionante come motore, collegato a un carico ad inerzia elevata, e lo stesso PMSG (funzionante come generatore) collegato a una turbina eolica azionata direttamente (D.D.W.T.). Sono state effettuate le convalide tramite Simulink. Nel capitolo quattro vengono analizzate e confrontate le proprietà meccaniche dei due sistemi; infine è stata considerata l'analisi dell'interazione tra il mondo meccanico e quello elettrico, verificando che le problematiche meccaniche derivino da cause elettriche. Sono state effettuate le convalide tramite Matlab.