Rotor field oriented control algorithms for five-phase induction motor drives during open-phase faults

The term “Multiphase machines” is referred to the rotating electrical machines that have a stator winding with more than three phases. In the recent years these machines have gained worldwide attention from the research community and industry for their applications in the electric ship propulsion, electric transports, more-electric aircrafts and for those particular loads that require continuous operation of the machine after one or more phases become open-circuited. A fault can be due to the loss of one of the leg transistors in the voltage source inverter, or be internal to the machine, affecting one of the phase windings. Multiphase machines can continue to operate even in the case where more than one phase is open-circuited, while for a three-phase machine, post-fault operation is possible only if one phase is opened and the star point of the machine is connected to the dc mid-point of the inverter. In this thesis the modelling and control of a five-phase induction machine with the field oriented control technique have been presented; then, an algorithm for the post fault operation when one stator phase is open-circuited has been proposed and the results of the simulations, carried out with different load torques and reference speeds, have been compared with an algorithm present in the literature. The results have shown that, since the machine is requested to produce the same torque as in pre-fault operation because the load torque is unchanged, the currents in the four healthy phases are now increased; the efficiency of the machine controlled with the proposed algorithm is slightly lower than the one obtained when the other algorithm here considered is used, but it allows the continuous operation of the machine for higher load torques. Several control algorithms are present in the literature; the choice depends on the application of the multiphase machine. The algorithm found in the literature has been then extended to the control of the machine with two faulted phases and the simulation results prove its validity, since the machine can follow the reference speed, although the currents in the remaining three phases are high and the operation is allowed only for a limited time. With critical loads that require operation of the machine for an indefinite time after the fault, it is necessary to increase the size of the machine and of the inverter to sustain the higher currents flowing in the inverter legs and in the machine windings.

Con il termine “Macchine polifase”, o macchine multifase, si intendono quelle macchine elettriche rotanti in cui l’avvolgimento di statore è costituito da più di tre fasi. In tempi recenti, questo tipo di macchine elettriche, ha raggiunto un interesse a livello globale da parte di ricercatori e industrie operanti in diversi settori per via delle loro possibili applicazioni, ad esempio come propulsori elettrici per le navi, in mezzi di trasporto a propulsione elettrica, per una maggiore elettrificazione dei servizi di bordo negli aeromobili e per quegli utilizzi che richiedono il funzionamento della macchina elettrica per un tempo indefinito anche dopo che una o più fasi sono state disconnesse in seguito ad un guasto. Un guasto può avere origine dal malfunzionamento di un transistor in una fase dell’inverter (VSI), oppure essere interno alla macchina e interessare uno degli avvolgimenti di fase. Le macchine polifase hanno la particolarità di poter funzionare anche in caso di guasto a una o più fasi; al contrario, una macchina trifase può funzionare con non più di una fase guasta ed è necessario che il centro stella sia connesso al punto centrale del circuito intermedio (DC-Link). In questa tesi vengono presentati due modelli e due schemi per il controllo vettoriale (Field Oriented Control) di una macchina a induzione a cinque fasi. Successivamente si propone un algoritmo per il controllo della macchina con una fase di statore aperta e i risultati delle simulazioni, eseguite per diversi valori di coppia di carico e velocità, sono stati confrontati con quelli ottenuti dall’implementazione di un algoritmo già presente in letteratura. Dai risultati si vede che nel caso in cui la coppia di carico sia la stessa prima e dopo il guasto, le correnti nelle quattro fasi rimanenti sono aumentate; l’efficienza della macchina controllata con l’algoritmo proposto è leggermente inferiore a quella che si ottiene con l’altro algoritmo considerato, ma consente il funzionamento della macchina per un tempo indefinito con coppie di carico più alte. In letteratura si possono trovare diversi algoritmi; la scelta tra di essi si basa sul tipo di impiego della macchina polifase. Per il controllo della macchina con due fasi di statore guaste, è stato esteso l’algoritmo trovato in letteratura per un guasto monofase. I risultati delle simulazioni mostrano che la macchina è in grado di seguire il riferimento della velocità, ma, a causa delle alte correnti nelle tre fasi di statore rimanenti, il funzionamento è consentito solo per un periodo limitato di tempo. Nel caso in cui sia richiesto che la macchina funzioni per un tempo indefinito dopo il guasto, è necessario sovradimensionare sia la macchina che l’inverter per sopportare gli elevati valori di corrente.