Enhancement in thermal monitoring and fault tolerance in multiphase electric drives

Abstract

The use of multiphase AC electric machines together with multiphase power converters has been recognize as a viable approach to obtain higher power ranges without increase the current per phase. The greater degrees of freedom of a multiphase machine compared with a three-phase one can be exploited in different manners.

Regarding three-phase machines, several strategies have been proposed for thermal monitoring based on dc-signal injection. However, due to such injection, a certain torque ripple is produced. In this dissertation, the additional degrees of freedom available in multiphase drives for condition monitoring are exploited to develop an algorithm based on dc-signal injection that enables the drive to estimate online the stator winding temperature avoiding the production of torque ripple.

On the other hand, the greater degrees of freedom can also be used to increase the fault tolerant capability of the motor drive. This characteristic is crucial in applications that require a high degree of reliability, such aerospace of marine applications.

In this maner, as far as the post-fault control strategies is concerned, the existing ones do not minimize the stator winding losses in the whole torque operation range (TOR). Thus, another objective of this thesis is to develop optimized post-fault strategies that improve the performance of the previous ones in this regard. In addition to the stator winding losses, the converter ones also play an important role in the whole drive. Therefore, it is also of interest to compare the different post-fault methods in terms of converter losses, which has not been taken into account in the past in this context in spite of its importance.

El uso de las máquinas polifásicas de corriente alterna junto con los convertidores de potencia polifásicas es reconocido como una alternativa viable para obtener rangos de potencia más elevados sin incrementar la corriente por fase. El mayor número de grados de libertad de una máquina polifásica comparado con los de una trifásica puede ser explotado de diversas formas.

En cuanto a estimación de temperatura en máquinas trifásicas, existen varias propuestas basadas en inyección de señal continua. Sin embargo, debido a la inyección, se produce un cierto rizado de par. En esta tesis, los grados de libertad adicionales disponibles en accionamentos polifásicos son explotados para la realización de una monitorizacióin térmica de la máquina basada en inyección de una componente continua, y evitando la generación de rizado de par.

Por otro lado, el mayor número de grados de libertad también puede ser utilizado para aumentar la capacidad ante a tolerancia a faltas de accionamientos eléctricos. Esta característica es crucial para aplicaciones que requieren un alto grado de fiabilidad, como aeroespacial y marinas.

En esta línea, varios autores han propuesto estrategias de control en situación de falta. Sin embargo, ninguna de ellas consigue minimizar las pérdidas del devanado estatórico de la máquina en todo el rango de operación. Por esto, otro objetivo de esta tesis es desarrollar técnicas de generación de referencias optimizadas que mejoren el comportamiento de las ya publicadas.

Además de las pérdidas estatóricas, las pérdidas en el convertidor juegan un papel importante en el conjunto global del accionamiento. Por esto, es interesante comparar las diferentes estrategias en términos de pérdidas del convertidor, que todavía no ha sido realizado a pesar de su importancia.

O uso das máquinas polifásicas de corrente alterna xunto cos convertedores de potencia polifásicos é recoñecido como unha alternativa viable para obter rangos de potencia máis elevados sen incrementar a corrente por fase. O maior número de graos de liberdade dunha máquina polifásica comparado cos dunha máquina trifásica pode ser explotado de diversos xeitos.

En canto a estimación de temperatura en máquinas trifásicas, existen varias propostas basadas en inxección dunha sinal continua. Sen embargo, debido a dita inxección, prodúcese un certo rizado de par. Nesta tese, o grados de liberdade adicionais dispoñibles en accionamentos polifásicos son explotados para a realización dunha monitorización térmica da máquina basada en inxección dunha compoñente continua, e evitando a xeración de rizado de par.

Por outro lado, o maior número de grados de liberdade tamén pode ser utilizado para aumentar a capacidade ante a tolerancia a faltas do accionamento eléctrico. Esta característica é crucial para aplicacións que requiren un alto grao de fiabilidade, como aeroespacial e mariñas.

Nesta liña, varios autores propuxeron estratexias de control en situación de falta. Sen embargo, ningunha delas consigure minimizar as perdas no bobinado estatórico da máquina en todo o rango de operación. Por esto, outro obxetivo desta tese é desenvolver técnicas de xeración de referencia optimizadas que melloren o comportamento das xa publicadas.

Ademais das perdas estatóricas, as perdas no convertidor xogan un papel importante no conxunto global. Por eso, é interesante comparar as diferentes estratexias en termos de perdas no convertidor, que aínda non foi realizado, a pesar da súa importancia.