Rotor field-oriented control for multiphase induction machines under open phases faults

Electrical drives are largely adopted in industry and in the last years, thanks to the increased awareness towards the environment, they are spreading as a means for transport. The most common electrical machines are three-phase and their construction is well known. However, if due to a fault, internal to the machine or to the supply, one phases cannot be supplied anymore the machine has to be put out of service reducing the global reliability. In particular application such as heavy industry, maritime transport, electric vehicles and aircraft application service interruption cannot be accepted due to safety reasons. Multiphase machines among all the different advantages allow to keep operating until three phases are left, for this reason these types of machines are interesting for the aforementioned applications and in the last years their development has grown quickly. This thesis will study a five-phase induction machine with the scope to compute the maximum torque that can be developed under different fault condition. The mathematical modelling of faults will be based on a circuital approach and initially the two main control strategies present in literature when one phase is open will be compared and commented. Then the case where two phases are open will be discussed and a control algorithm that allow continuous operation of the machine after the faults will be proposed. The results of these analysis, confirmed later by simulations, show that thanks to a carefully chosen post-fault flux reference is possible develop a fraction of the nominal torque without exceeding thermal limit the inverter.

Gli azionamenti tramite motori elettrici sono ampiamente utilizzati nell’industria e negli ultimi anni, grazie alla crescente attenzione verso l’ambiente, si sta assistendo ad una maggiore diffusione del loro utilizzo anche per i mezzi di trasporto. Le macchine elettriche comunemente utilizzate sono a tre fasi e la loro realizzazione è ben nota da tempo. Tuttavia, se a causa di un guasto interno o all’alimentazione, una delle tre fasi non può essere utilizzata la macchina deve essere messa fuori servizio con conseguente riduzione dell’affidabilità. L’interruzione del servizio dell’azionamento non può essere accettata in particolari settori ed applicazioni dove gli standard di affidabilità devono essere necessariamente elevati per motivi di sicurezza come ad esempio l’industria pensante, il trasporto navale, i veicoli elettrici ed applicazioni a bordo di velivoli. Le macchine multifase permettono, tra i diversi vantaggi, di continuare il loro funzionamento fino a che il numero rimanente di fasi non guaste sia pari a tre, per questo sono di grande interesse per le applicazioni sopracitate e il loro sviluppo sta subendo rapidi progressi negli ultimi anni. In questa tesi verrà studiata una macchina ad induzione pentafase con l’obiettivo di calcolare la massima coppia sviluppabile nelle diverse condizioni di guasto. La modellizzazione matematica dei guasti si baserà su un approccio circuitale e inizialmente verranno messi a confronto e commentati i due principali algoritmi di controllo presenti in letteratura quando una fase è aperta. Successivamente verrà analizzato il caso con due fasi aperte e sarà proposto un algoritmo di controllo che permette il funzionamento continuativo a valle dei guasti. I risultati di queste analisi, confermati in seguito dalle simulazioni, mostrano come una attenta scelta del riferimento di flusso nel controllo permetta alla macchina di esprimere parte della coppia nominale senza eccedere i limiti termici dell’inverter.