5-phase induction motor : modeling and control for faulty operations

In the last years there have been a very rapid increase in the production and use of electric vehicles, such as cars and ships, and a run for the electrification of other vehicles, such as airplanes. Due to this increase, there’s even more need of reliable machines be able to work for very long periods of time. This is partially assured by the reliability tests done on the equipments and the electric motors that allow the aforementioned vehicles to work. Anyway, in everyday life, equipments and motors can break and a way to allow them to work in non-optimal conditions is needed. The traditional three-phase motor is not capable of ensuring operation after fault. In its place multiphase motors, with n phases, can be used. This kind of electrical machines are fault tolerant and can work with up to (n-3) open phases. In this thesis, the model and control of a multiphase induction machine is presented and applied to the case of a 5-phase induction motor. Some simulations, with different load torques, have been carried out in order to prove the validity of the model. Then, the case of a faulty phase has been studied and two different algorithms have been studied and compared in order to improve the motor post-fault operation. One algorithm allows for less joule losses while the other for more torque. The choice, between the two proposed algorithms, depends on the machine application. In any case, these two algorithms show that it is possible to operate the motor, at base speed and it is possible to develop torque, within limits. In the end, the case of two faulty phases has been analysed and simulated. The simulation results show that the motor isn’t able to operate for a long time, since the nominal current limit is exceeded even without any load torque. Therefore, the cause of this problem has been searched and found in the magnetizing current and a possible solution has been proposed and simulated. The results of this last simulation show that it is possible to operate the motor, at base speed, within limits, with a reduced rotor flux with the drawback of not being able to develop any torque without exceeding the nominal current limit. A possible solution to this last problem, has been the reduction of the rotor speed, to half the base speed, in such a way to have some current margin in order to develop some torque

Negli ultimi anni vi è stato un aumento molto rapido della produzione e dell'uso di veicoli elettrici, come automobili e navi, e una corsa all'elettrificazione di altri veicoli, come gli aeroplani. A causa di questo aumento, vi è ancora più bisogno di macchine affidabili e che siano in grado di lavorare per lungo tempo. Ciò è parzialmente garantito dai test di affidabilità eseguiti sulle apparecchiature e sui motori elettrici che consentono ai veicoli, di cui sopra, di funzionare. In ogni caso, nella vita di tutti i giorni, le apparecchiature e i motori possono rompersi e un modo per consentire loro di lavorare in condizioni non ottimali è necessario. Per consentire il funzionamento in tali situazioni, il solito motore trifase non è più sufficiente. Al suo posto vengono utilizzati motori polifase, con n fasi. Questo tipo di macchine elettriche sono tolleranti ai guasti e possono funzionare avendo fino a (n-3) fasi aperte. In questa tesi, il modello e il controllo di un motore ad induzione polifase, viene presentato e successivamente applicato al caso di un motore ad induzione pentafase. Alcune simulazioni, con diverse coppie di carico, sono state effettuate in modo da verificare la validità del modello. Successivamente, il caso di una fase guasta è stato studiato e due diversi algoritmi sono stati presentati in modo da migliorare il funzionamento post guasto. Un algoritmo permette minori perdite per effetto joule, mentre l’altro permette di sviluppare più coppia. La scelta tra i due dipende dall’applicazione della macchina, in ogni caso, i due algoritmi dimostrano che è possibile operare il motore rimanendo nei limiti. Infine, il caso di due fasi guaste è stato analizzato e simulato. I risultati della simulazione, mostrano che il motore non è in grado di funzionare per lunghi periodi, poiché vengono superati i limiti operativi, anche se non viene applicata alcuna coppia di carico. La causa di ciò è stata ricercata e trovata nella corrente magnetizzante e una possibile soluzione è stata proposta e simulata. I risultati di quest’ultima simulazione, mostrano che è possibile operare il motore, alla velocità di base, all’interno dei limiti, con un flusso di ridotto, avendo come svantaggio l’assenza di coppia applicabile. Una soluzione a quest’ultimo problema, è stata la riduzione della velocità di rotore, a metà della velocità di base, in modo tale da avere un margine di corrente per poter sviluppare della coppia.