Riassunto analitico
Negli ultimi due decenni l'interesse per le macchine elettriche con più di tre fasi per applicazioni a velocità variabile è aumentato in tutto il mondo. La resistenza ai guasti degli azionamenti polifase e la possibilità di aumentare la coppia mediante l’iniezione di armoniche di ordine superiore nelle correnti di statore, rendono i motori elettrici sincroni polifase adatti per i veicoli elettrici e i veicoli ibridi in cui l'affidabilità e la densità di potenza sono dei requisiti fondamentali. Questa tesi affronta pertanto la modellistica e il controllo di motori sincroni polifase a magneti permanenti per migliorare l'efficienza e la sicurezza di nuovi veicoli elettrici e nuovi veicoli ibridi. Per quanto riguarda questi due argomenti la prima parte di questa tesi tratta i motori sincroni polifase in condizione di normale funzionamento, mentre la seconda parte li indaga in condizione di guasto. La tecnica modellistica Power-Oriented Graphs viene utilizzata con una notazione vettoriale in modo da ottenere un approccio il più generale possibile. Tutti i parametri elettrici e meccanici del motore (come il numero delle fasi, il tipo di connessione statorica, la forma del flusso rotorico, il numero di guasti, ecc..) possono essere modificati senza cambiare la struttura dei modelli che possono essere direttamente implementati in ambiente Matlab / Simulink. Partendo da questi modelli e usando un approccio vettoriale si ottiene il riferimento ottimo di corrente che fornisce la coppia desiderata minimizzando le dissipazioni e rispettando il limite di corrente sia in condizioni di normale utilizzo che in condizioni di guasto. I controlli proposti possono essere utilizzati per ogni tipo di flusso rotorico, per un generico numero di fasi dispari e in presenza di uno o più guasti. I risultati delle simulazioni, validano l'efficacia del tecniche di controllo affrontate in questa tesi. Nella parte finale i modelli e i controlli proposti vengono impiegati nel controllo dinamico di potenza del sistema Toyota Hybrid System. I risultati simulativi del veicolo ibrido proposto pongono le basi per studi futuri su nuove architetture di veicoli elettrici e di veicoli ibridi che sfruttino i vantaggi introdotti dall’impiego di questo tipo motori.
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Abstract
In the last two decades the interest in electrical machines with more than three phases for variable speed applications is increased worldwide.
The fault tolerant capability of multi-phase motor drives and the possibility to enhance the motor torque by injecting an higher order of stator current harmonics, make the multi-phase synchronous machines suitable for Electric and Hybrid Electric Vehicles where reliability and power density are very important issues.
Thus, this dissertation addresses the modeling and the control of multi-phase permanent magnet synchronous motor in order to improve the efficiency and the safety of the new Electric and Hybrid Electric Vehicles. As regard these two topics the first part of this thesis deals with the multi-phase synchronous motors in healthy condition, while the second part investigates this type of motors under the open-phase fault condition.
The Power-Oriented Graphs modeling technique with a vectorial notation is exploited obtaining an approach as general as possible. All the electrical and mechanical lumped parameters of the motor (i.e. the number of phases, the type of stator connection, the shape of the rotor flux, the number of faults, etc..) can be modified without changing the structure of the models which can be directly implemented in the Matlab/Simulink environment. Starting from these models and using a vectorial approach the optimal current reference which provides the desired torque minimizing the dissipation and satisfying the limit current in healthy and fault condition is proposed. The presented controls can be used for any shape of the rotor flux, for a generic odd number of phases and in presence of one or more phase failures. The simulation results validate the effectiveness of the control techniques addressed in this dissertation.
At the end of this thesis the proposed models and controls are employed in the dynamic power control of the Toyota Hybrid System. The simulation results of the proposed hybrid vehicle set the basis for future studies on new architectures of Electric and Hybrid Electric Vehicles which exploit the advantages brought by the use of this type of motors.
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