Open end winding induction machine with isolated DC buses: power sharing enhancement via voltage vector distribution and rotor flux reference selection

This thesis investigates methods to enhance the power sharing capability of an Open End Winding Induction Machine (OEWIM) supplied by two isolated DC sources through a dual-inverter configuration. A comprehensive MATLAB/Simulink simulation framework is developed, including the OEWIM model, inverter systems, and Rotor Field Oriented Control (RFOC) scheme. Strategies aimed at improving power sharing are implemented, simulated, and analysed across two main control layers: the voltage vector distribution layer and the rotor flux reference layer. In the voltage vector distribution layer, a dedicated algorithm is developed that extends the classical collinear modulation method by exploiting the Golden Section (GS) search. This approach enables the use of non-collinear inverter voltage vectors, thereby broadening the range of achievable power sharing configurations. The algorithm also incorporates two accurate power following techniques to enhance its effectiveness, reducing the need for the GS search iterations whenever possible. In the rotor flux reference layer, three strategies are evaluated: the classical constant rotor flux with flux weakening, the Motor Loss Minimization (MLM), and the Maximum Power Sharing Capability (MPSC). Based on their comparison, a dynamic selection strategy is developed to alternate between the MLM and MPSC rotor flux references, balancing enhanced power sharing with machine efficiency and dynamic behaviour. Finally, the most effective strategies at both layers are integrated, with particular attention to the switching conditions between MLM and MPSC. This integrated approach results in a substantial improvement in power sharing capability across the entire operating range. The work highlights the trade-offs between power sharing capability, efficiency, and transient performance, particularly when employing the MPSC rotor flux reference, and provides a foundation for further experimental validation and practical implementation.

Questa tesi indaga metodi per migliorare la capacità di condivisione della potenza di una macchina a induzione con avvolgimenti a estremità aperte (OEWIM) alimentata da due sorgenti DC isolate tramite una configurazione dual-inverter. Uno schema di simulazione viene sviluppato in ambiente MATLAB/Simulink, comprendente il modello della OEWIM, gli inverter e il controllo della macchina orientato al flusso rotorico (RFOC). Diverse strategie finalizzate all’ottimizzazione della condivisione della potenza vengono implementate, simulate e analizzate in questi due principali livelli di controllo: il livello di distribuzione dei vettori tensione e il livello di riferimento del flusso rotorico. A livello di distribuzione dei vettori di tensione viene sviluppato un algoritmo dedicato che estende il metodo classico di modulazione collineare sfruttando il metodo di ricerca della sezione aurea (GS). Questo approccio consente l’utilizzo di vettori di tensione degli inverter non collineari con il vettore di tensione statorica di riferimento, ampliando così l’intervallo di configurazioni realizzabili, e quindi espandendo le possibili configurazioni di condivisone della potenza. L’algoritmo, inoltre, integra due tecniche di ‘inseguimento accurato di potenza’ per aumentarne l’efficacia, riducendo, quando possibile, la necessità di eseguire le iterazioni relative alla ricerca GS. A livello di flusso rotorico di riferimento vengono valutate tre strategie: flusso rotorico costante con riduzione oltre la velocità nominale, minimizzazione delle perdite del motore (MLM) e massima capacità di condivisione della potenza (MPSC). In base al loro confronto, viene sviluppata una strategia di selezione dinamica che alterna i riferimenti di flusso MLM e MPSC, bilanciando l’incremento della capacità di condivisione della potenza con l’efficienza della macchina e le prestazioni dinamiche. Infine, le strategie più efficaci di entrambi i livelli vengono integrate, prestando particolare attenzione alle condizioni di commutazione tra MLM e MPSC. Questo approccio integrato comporta un sostanziale miglioramento della capacità di condivisone della potenza su tutto l’intervallo operativo. Il lavoro mette in luce i compromessi tra capacità di condivisione della potenza, efficienza e prestazioni transitorie, in particolare quando si impiega il riferimento di flusso MPSC, e fornisce una base per successive validazioni sperimentali e implementazioni pratiche.