Studio di tecniche di modulazione per inverter a tensione impressa in azionamenti con macchina asincrona esafase asimmetrica

Modellizzazione della macchina asincrona esafase asimmetrica mediante i vettori di spazio trifase. Determinazione delle trasformazioni esafase dallo studio del campo magnetico rotante. Modellizzazione della macchina asincrona esafase asimmetrica mediante i vettori di spazio esafase. Studio dell’inverter esafase e delle relative tecniche di modulazione. Definizione del modello Simulink dell’azionamento. Studio del ripple della corrente di carico.

Dimensionamento di azionamenti meccanici e idraulici per una pressa elicoidale disidratante

Dimensionamento di azionamenti meccanici e idraulici per una pressa elicoidale disidratante.

Metodo di calcolo unificato del punto di lavoro degli azionamenti elettrici in corrente alternata

La tesi tratta la teoria unificata degli azionamenti in correnti alternata.

Progetto e realizzazione di un azionamento per macchina asincrona eptafase con misura della velocità mediante encoder.

In questa tesi si effettua lo studio di un azionamento elettrico con motore asincrono eptafase. In particolare si realizza un sistema automatico per il controllo della coppia mediante stimatori con encoder. Si ha così la possibilità di effettuare un controllo accurato della macchina asincrona eptafase anche a bassa velocità, cosa che risulterebbe più complessa se eseguita mediante controlli di tipo sensorless. Inoltre, grazie ad opportune strategie di controllo, è possibile assicurare un funzionamento accettabile degli azionamenti con motori multifase durante una condizione di guasto con una fase aperta, senza alcuna necessità di hardware aggiuntivo.

Le macchine multifase nelle applicazioni Sensorless:indagine teorico-sperimentale di un azionamento basato su DSP per macchine asincrone eptafase

Fino ad un recente passato, le macchine elettriche di tipo trifase costituivano l’unica soluzione in ambito industriale per la realizzazione di azionamenti di grande potenza. Da quando i motori sono gestiti da convertitori elettronici di potenza si è ottenuto un notevole passo in avanti verso l’innovazione tecnologica. Infatti, negli ultimi decenni, le tecnologie sempre più all’avanguardia e l’aumento dell’utilizzo dell’elettronica, sia in campo civile quanto in quello industriale, hanno contribuito a una riduzione dei costi dei relativi componenti; questa situazione ha permesso di utilizzare tecnologie elaborate che in passato avevano costi elevati e quindi risultavano di scarso interesse commerciale. Nel campo delle macchine elettriche tutto questo ha permesso non solo la realizzazione di azionamenti alimentati e controllati tramite inverter, in grado di garantire prestazioni nettamente migliori di quelle ottenute con i precedenti sistemi di controllo, ma anche l’avvento di una nuova tipologia di macchine con un numero di fasi diverso da quello tradizionale trifase, usualmente impiegato nella generazione e distribuzione dell’energia elettrica. Questo fatto ha destato crescente interesse per lo studio di macchine elettriche multifase. Il campo di studio delle macchine multifase è un settore relativamente nuovo ed in grande fermento, ma è già possibile affermare che le suddette macchine sono in grado di fornire prestazioni migliori di quelle trifase. Un motore con un numero di fasi maggiore di tre presenta numerosi vantaggi: 1. la possibilità di poter dividere la potenza su più fasi, riducendo la taglia in corrente degli interruttori statici dell’inverter; 2. la maggiore affidabilità in caso di guasto di una fase; 3. la possibilità di sfruttare le armoniche di campo magnetico al traferro per ottenere migliori prestazioni in termini di coppia elettromagnetica sviluppata (riduzione dell’ampiezza e incremento della frequenza della pulsazione di coppia); 4. l’opportunità di creare azionamenti elettrici multi-motore, collegando più macchine in serie e comandandole con un unico convertitore di potenza; 5. Maggiori e più efficaci possibilità di utilizzo nelle applicazioni Sensorless. Il presente lavoro di tesi, ha come oggetto lo studio e l’implementazione di una innovativa tecnica di controllo di tipo “sensorless”, da applicare in azionamenti ad orientamento di campo per macchine asincrone eptafase. Nel primo capitolo vengono illustrate le caratteristiche e le equazioni rappresentanti il modello della macchina asincrona eptafase. Nel secondo capitolo si mostrano il banco di prova e le caratteristiche dei vari componenti. Nel terzo capitolo sono rappresentate le tecniche di modulazione applicabili per macchine multifase. Nel quarto capitolo vengono illustrati il modello del sistema implementato in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni eseguite. Nel quinto capitolo viene presentato il Code Composer Studio, il programma necessario al funzionamento del DSP. Nel sesto capitolo, sono presentati e commentati i risultati delle prove sperimentali.

Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per prove su formette

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori elettrici tale interrogativo è stato posto in seguito al verificarsi di un elevato numero di guasti inaspettati (precoci), probabilmente imputabile alla diversa sollecitazione elettrica applicata ai materiali. In questa tesi ci si è occupati della progettazione di un inverter di media tensione, che verrà impiegato per eseguire prove sugli avvolgimenti di statore di motori (formette), al fine di condurre successivamente uno studio sull’invecchiamento dei materiali che compongono gli isolamenti. Tale inverter è in grado di generare sequenze di impulsi con modulazione PWM. I parametri caratteristici delle sequenze possono essere modificati in modo da studiare i meccanismi di degradazione in funzione della tipologia delle sollecitazioni applicate. Avendo a che fare con provini di natura capacitiva, il cui isolamento può cedere durante la prova, il sistema deve essere intrinsecamente protetto nei confronti di tutte le condizioni anomale e di pericolo. In particolare deve essere in grado di offrire rapide ed efficaci protezioni per proteggere l’impianto stesso e per salvaguardare la sicurezza degli operatori, dato l’elevato livello delle tensioni in gioco. Per questo motivo è stata pensata un’architettura di sistema ad hoc, in grado di fronteggiare le situazioni anomale in modo ridondante. E’ infatti stato previsto l’inserimento di un sistema di controllo basato sul CompactRIO, sul quale è stato implementato un software in grado di monitorare le grandezze caratteristiche del sistema e le protezioni che affiancheranno quelle hardware, realizzate con dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici di protezione e di interfacciamento sono stati studiati, implementati e simulati con PSpice, per poi essere successivamente dimensionati e realizzati su schede elettroniche, avvalendosi del software OrCAD. La tesi è strutturata come segue: - Il primo capitolo tratta, in maniera generale, i motori asincroni trifase, gli inverter e l’invecchiamento dei sistemi isolanti, con particolare interesse alle sollecitazioni meccaniche, termiche ed elettriche nel caso di sollecitazioni impulsive; - Il secondo capitolo riguarda il sistema realizzato nel suo complesso. Inizialmente verrà descritto lo schema elettrico generale, per poi analizzare più nello specifico le varie parti di cui il sistema è composto, come l’inverter di media tensione, il generatore di media tensione, la scheda di disaccoppiamento ottico, la scheda di controllo del generatore di media tensione, la scheda OCP; - Il terzo capitolo descrive le lavorazioni meccaniche eseguite sulle scatole contenti i rami di inverter, la realizzazione delle fibre ottiche e riporta le fasi di collaudo dell’intero sistema. Infine, verranno tratte le conclusioni.

Modulation Techniques for Multi-Phase Converters and Control Strategies for Multi-Phase Electric Drives

The ever-increasing spread of automation in industry puts the electrical engineer in a central role as a promoter of technological development in a sector such as the use of electricity, which is the basis of all the machinery and productive processes. Moreover the spread of drives for motor control and static converters with structures ever more complex, places the electrical engineer to face new challenges whose solution has as critical elements in the implementation of digital control techniques with the requirements of inexpensiveness and efficiency of the final product. The successfully application of solutions using non-conventional static converters awake an increasing interest in science and industry due to the promising opportunities. However, in the same time, new problems emerge whose solution is still under study and debate in the scientific community During the Ph.D. course several themes have been developed that, while obtaining the recent and growing interest of scientific community, have much space for the development of research activity and for industrial applications. The first area of research is related to the control of three phase induction motors with high dynamic performance and the sensorless control in the high speed range. The management of the operation of induction machine without position or speed sensors awakes interest in the industrial world due to the increased reliability and robustness of this solution combined with a lower cost of production and purchase of this technology compared to the others available in the market. During this dissertation control techniques will be proposed which are able to exploit the total dc link voltage and at the same time capable to exploit the maximum torque capability in whole speed range with good dynamic performance. The proposed solution preserves the simplicity of tuning of the regulators. Furthermore, in order to validate the effectiveness of presented solution, it is assessed in terms of performance and complexity and compared to two other algorithm presented in literature. The feasibility of the proposed algorithm is also tested on induction motor drive fed by a matrix converter. Another important research area is connected to the development of technology for vehicular applications. In this field the dynamic performances and the low power consumption is one of most important goals for an effective algorithm. Towards this direction, a control scheme for induction motor that integrates within a coherent solution some of the features that are commonly required to an electric vehicle drive is presented. The main features of the proposed control scheme are the capability to exploit the maximum torque in the whole speed range, a weak dependence on the motor parameters, a good robustness against the variations of the dc-link voltage and, whenever possible, the maximum efficiency. The second part of this dissertation is dedicated to the multi-phase systems. This technology, in fact, is characterized by a number of issues worthy of investigation that make it competitive with other technologies already on the market. Multiphase systems, allow to redistribute power at a higher number of phases, thus making possible the construction of electronic converters which otherwise would be very difficult to achieve due to the limits of present power electronics. Multiphase drives have an intrinsic reliability given by the possibility that a fault of a phase, caused by the possible failure of a component of the converter, can be solved without inefficiency of the machine or application of a pulsating torque. The control of the magnetic field spatial harmonics in the air-gap with order higher than one allows to reduce torque noise and to obtain high torque density motor and multi-motor applications. In one of the next chapters a control scheme able to increase the motor torque by adding a third harmonic component to the air-gap magnetic field will be presented. Above the base speed the control system reduces the motor flux in such a way to ensure the maximum torque capability. The presented analysis considers the drive constrains and shows how these limits modify the motor performance. The multi-motor applications are described by a well-defined number of multiphase machines, having series connected stator windings, with an opportune permutation of the phases these machines can be independently controlled with a single multi-phase inverter. In this dissertation this solution will be presented and an electric drive consisting of two five-phase PM tubular actuators fed by a single five-phase inverter will be presented. Finally the modulation strategies for a multi-phase inverter will be illustrated. The problem of the space vector modulation of multiphase inverters with an odd number of phases is solved in different way. An algorithmic approach and a look-up table solution will be proposed. The inverter output voltage capability will be investigated, showing that the proposed modulation strategy is able to fully exploit the dc input voltage either in sinusoidal or non-sinusoidal operating conditions. All this aspects are considered in the next chapters. In particular, Chapter 1 summarizes the mathematical model of induction motor. The Chapter 2 is a brief state of art on three-phase inverter. Chapter 3 proposes a stator flux vector control for a three- phase induction machine and compares this solution with two other algorithms presented in literature. Furthermore, in the same chapter, a complete electric drive based on matrix converter is presented. In Chapter 4 a control strategy suitable for electric vehicles is illustrated. Chapter 5 describes the mathematical model of multi-phase induction machines whereas chapter 6 analyzes the multi-phase inverter and its modulation strategies. Chapter 7 discusses the minimization of the power losses in IGBT multi-phase inverters with carrier-based pulse width modulation. In Chapter 8 an extended stator flux vector control for a seven-phase induction motor is presented. Chapter 9 concerns the high torque density applications and in Chapter 10 different fault tolerant control strategies are analyzed. Finally, the last chapter presents a positioning multi-motor drive consisting of two PM tubular five-phase actuators fed by a single five-phase inverter.

Induction Motor Diagnosis in Variable Speed Drives

Several diagnostic techniques are presented for the detection of electrical fault in induction motor variable speed drives. These techinques are developed taking into account the impact of the control system on machine variables and non stationary operating conditions.

Controllo Vettoriale generalizzato per Macchine Elettriche Trifase

Nell’ambito della presente tesi verrà descritto un approccio generalizzato per il controllo delle macchine elettriche trifasi; la prima parte è incentrata nello sviluppo di una metodologia di modellizzazione generale, ossia in grado di descrivere, da un punto di vista matematico, il comportamento di una generica macchina elettrica, che possa quindi includere in sé stessa tutte le caratteristiche salienti che possano caratterizzare ogni specifica tipologia di macchina elettrica. Il passo successivo è quello di realizzare un algoritmo di controllo per macchine elettriche che si poggi sulla teoria generalizzata e che utilizzi per il proprio funzionamento quelle grandezze offerte dal modello unico delle macchine elettriche. La tipologia di controllo che è stata utilizzata è quella che comunemente viene definita come controllo ad orientamento di campo (FOC), per la quale sono stati individuati degli accorgimenti atti a migliorarne le prestazioni dinamiche e di controllo della coppia erogata. Per concludere verrà presentata una serie di prove sperimentali con lo scopo di mettere in risalto alcuni aspetti cruciali nel controllo delle macchine elettriche mediante un algoritmo ad orientamento di campo e soprattutto di verificare l’attendibilità dell’approccio generalizzato alle macchine elettriche trifasi. I risultati sperimentali confermano quindi l’applicabilità del metodo a diverse tipologie di macchine (asincrone e sincrone) e sono stati verificate nelle condizioni operative più critiche: bassa velocità, alta velocità bassi carichi, dinamica lenta e dinamica veloce.

Non-Linear Analysis and Design of Synchronous Bearingless Multiphase Permanent Magnet Machines and Drives

A two-dimensional model to analyze the distribution of magnetic fields in the airgap of a PM electrical machines is studied. A numerical algorithm for non-linear magnetic analysis of multiphase surface-mounted PM machines with semi-closed slots is developed, based on the equivalent magnetic circuit method. By using a modular structure geometry, whose the basic element can be duplicated, it allows to design whatever typology of windings distribution. In comparison to a FEA, permits a reduction in computing time and to directly changing the values of the parameters in a user interface, without re-designing the model. Output torque and radial forces acting on the moving part of the machine can be calculated. In addition, an analytical model for radial forces calculation in multiphase bearingless Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motors (SPMSM) is presented. It allows to predict amplitude and direction of the force, depending on the values of torque current, of levitation current and of rotor position. It is based on the space vectors method, letting the analysis of the machine also during transients. The calculations are conducted by developing the analytical functions in Fourier series, taking all the possible interactions between stator and rotor mmf harmonic components into account and allowing to analyze the effects of electrical and geometrical quantities of the machine, being parametrized. The model is implemented in the design of a control system for bearingless machines, as an accurate electromagnetic model integrated in a three-dimensional mechanical model, where one end of the motor shaft is constrained to simulate the presence of a mechanical bearing, while the other is free, only supported by the radial forces developed in the interactions between magnetic fields, to realize a bearingless system with three degrees of freedom. The complete model represents the design of the experimental system to be realized in the laboratory.

Diagnosis and Fault detection in Electrical Machines and Drives based on Advanced Signal Processing Techniques

In the present thesis, a new methodology of diagnosis based on advanced use of time-frequency technique analysis is presented. More precisely, a new fault index that allows tracking individual fault components in a single frequency band is defined. More in detail, a frequency sliding is applied to the signals being analyzed (currents, voltages, vibration signals), so that each single fault frequency component is shifted into a prefixed single frequency band. Then, the discrete Wavelet Transform is applied to the resulting signal to extract the fault signature in the frequency band that has been chosen. Once the state of the machine has been qualitatively diagnosed, a quantitative evaluation of the fault degree is necessary. For this purpose, a fault index based on the energy calculation of approximation and/or detail signals resulting from wavelet decomposition has been introduced to quantify the fault extend. The main advantages of the developed new method over existing Diagnosis techniques are the following: - Capability of monitoring the fault evolution continuously over time under any transient operating condition; - Speed/slip measurement or estimation is not required; - Higher accuracy in filtering frequency components around the fundamental in case of rotor faults; - Reduction in the likelihood of false indications by avoiding confusion with other fault harmonics (the contribution of the most relevant fault frequency components under speed-varying conditions are clamped in a single frequency band); - Low memory requirement due to low sampling frequency; - Reduction in the latency of time processing (no requirement of repeated sampling operation).