Original title: Robustní řízení synchronního stroje s permanentními magnety a spínaným tokem
Translated title: Fault-Tolerant Control of a Flux-switching Permanent Magnet Synchronous Machine
Authors: Aboelhassan, Mustafa Osman Elrayah ; Singule, Vladislav (referee) ; Skala, Bohumil (referee) ; Skalický, Jiří (advisor)
Document type: Doctoral theses
Year: 2013
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract: [eng] [cze]
Je jasné, že nejúspěšnější konstrukce zahrnuje postup vícefázového řízení, ve kterém každá fáze může být považována za samostatný modul. Provoz kterékoliv z jednotek musí mít minimální vliv na ostatní, a to tak, že v případě selhání jedné jednotky ostatní mohou být v provozu neovlivněny. Modulární řešení vyžaduje minimální elektrické, magnetické a tepelné ovlivnění mezi fázemi řízení (měniče). Synchronní stroje s pulzním tokem a permanentními magnety se jeví jako atraktivní typ stroje, jejíž přednostmi jsou vysoký kroutící moment, jednoduchá a robustní konstrukce rotoru a skutečnost, že permanentní magnety i cívky jsou umístěny společně na statoru. FS-PMSM jsou poměrně nové typy střídavého stroje stator-permanentní magnet, které představují významné přednosti na rozdíl od konvenčních rotorů - velký kroutící moment, vysoký točivý moment, v podstatě sinusové zpětné EMF křivky, zároveň kompaktní a robustní konstrukce díky umístění magnetů a vinutí kotvy na statoru. Srovnání výsledků mezi FS-PMSM a klasickými motory na povrchu upevněnými PM (SPM) se stejnými parametry ukazuje, že FS-PMSM vykazuje větší vzduchové mezery hustoty toku, vyšší točivý moment na ztráty v mědi, ale také vyšší pulzaci díky reluktančnímu momentu. Pro stroje buzené permanentními magnety se jedná o tradiční rozpor mezi požadavkem na vysoký kroutící moment pod základní rychlostí (oblast konstantního momentu) a provozem nad základní rychlostí (oblast konstantního výkonu), zejména pro aplikace v hybridních vozidlech. Je předložena nová topologie synchronního stroje s permanentními magnety a spínaným tokem odolného proti poruchám, která je schopná provozu během vinutí naprázdno a zkratovaného vinutí i poruchách měniče. Schéma je založeno na dvojitě vinutém motoru napájeném ze dvou oddělených vektorově řízených napěťových zdrojů. Vinutí jsou uspořádána takovým způsobem, aby tvořila dvě nezávislé a oddělené sady. Simulace a experimentální výzkum zpřesní výkon během obou scénářů jak za normálního provozu, tak za poruch včetně zkratových závad a ukáží robustnost pohonu za těchto podmínek. Tato práce byla publikována v deseti konferenčních příspěvcích, dvou časopisech a knižní kapitole, kde byly představeny jak topologie pohonu a aplikovaná řídící schémata, tak analýzy jeho schopnosti odolávat poruchám. It has become clear that the most successful design approach involves a multiple phase drive in which each phase may be regarded as a single-module. The operation of any one module must have minimal impact upon the others, so that in the event of that module failing the others can continue to operate unaffected. The modular approach requires that there should be minimal electrical, magnetic and thermal interaction between phases of the drive. Flux-Switching permanent magnet synchronous machines (FS-PMSM) have recently emerged as an attractive machine type virtue of their high torque densities, simple and robust rotor structure and the fact that permanent magnets and coils are both located on the stator. Flux-switching permanent magnet (FS-PMSM) synchronous machines are a relatively new topology of stator PM brushless machine. They exhibit attractive merits including the large torque capability and high torque (power) density, essentially sinusoidal back-EMF waveforms, as well as having a compact and robust structure due to both the location of magnets and armature windings in the stator instead of the rotor as those in the conventional rotor-PM machines. The comparative results between a FS-PMSM and a traditional surface-mounted PM (SPM) motor having the same specifications reveal that FS-PMSM exhibits larger air-gap flux density, higher torque per copper loss, but also a higher torque ripple due to cogging -torque. However, for solely permanent magnets excited machines, it is a traditional contradiction between the requests of high torque capability under the base-speed (constant torque region) and wide speed operation above the base speed (constant power region) especially for hybrid vehicle applications. A novel fault-tolerant FS-PMSM drive topology is presented, which is able to operate during open- and short-circuit winding and converter faults. The scheme is based on a dual winding motor supplied from two separate vector-controlled voltage-sourced inverter drives. The windings are arranged in a way so as to form two independent and isolated sets. Simulation and experimental work will detail the driver’s performance during both healthy- and faulty- scenarios including short-circuit faults and will show the drive robustness to operate in these conditions. The work has been published in ten conference papers, two journal papers and a book chapter, presenting both the topology of the drive and the applied control schemes, as well as analysing the fault-tolerant capabilities of the drive.
Keywords: Bezpečnostně kritické aplikace.; Brzdný moment; Chybový provozní stav; Dvojité trojfázové stroje; Frekvenční měniče; Jednofázové poruchy; Letecký; Nadbytek; Napěťový měnič; Nelineární řízení; Nerovnováha tří fází; Normální provozní podmínky; Odolnost vůči poruchám stroje; Odolné proti poruchám; Polem orientované vektorové řízení; Polohové řízení; Porucha naprázdno; Porucha zkratem; Proudová regulace; Pulsní šířková modulace; Pulzní tok permanentní magnety synchronního stroje; Regulace odbuzováním; Servomotor; Synchronní stroj s permanentními magnety; Vektorové řízení; Vysokorychlostní; Vícefázové motory; Vícefázové pohony; Zpětný náraz; Řízení rychlosti; Řízení zpětnou vazbou; AC motor drives; Aerospace; Backlash; Balance three-phase fault; Braking torque; Current control; Dual three-phase machines; Fault-Tolerant; Fault-Tolerant machines; Faulty-operating condition (Unhealthy); Feedback-control; Field-oriented vector-control; Field-weakening control; Flux-Switching permanent magnet synchronous machine (FS-PMSM); High speed; Multi-phase drives; Multi-phase motors; Nonlinear-control; Normal-operating condition (Healthy); Open-circuit fault; Permanent magnet synchronous machine (PMSM); Position control; Pulse-width modulation (PWM); Redundancy; Safety-critical application.; Servomotor; Short-circuit fault; Single-phase fault; Speed control; Vector-control; Voltage source inverter (VSI)

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/23746

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-233605


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses