Fault diagnosis and fault tolerant control of multiphase voltage source converters for application in traction drives

Abstract

There is an increasing demand for vehicles with less environmental impact and higher fuel efficiency. To meet these requirements, the transportation electrification has been introduced in both academia and industry during last years. Electric vehicle (EV) and hybrid Electric vehicle (HEV) are two practical examples in transportation systems. The typical power train in the EVs consists of three main parts including energy source, power electronics and an electrical motor. Regarding the machine, permanent magnet (PM) motors are the dominant choice for light duty hybrid vehicles in industry due to their higher efficiency and power density. In order to operate the power train, the electrical machine can be supplied and controlled by a voltage source inverter (VSI). The converter is subjected to various fault types. According to the statistics, 38% of faults in a motor drive are due to the power converter. On the other side, the electrical power train should meet a high level of reliability. Multiphase PM machines can meet the reliability requirements due to their fault-tolerant characteristics. The machine can still be operational with faults in multiple phases. Consequently, to realize a multiphase fault-tolerant motor drive, three main concepts should be developed including fault detection (FD), fault isolation and fault-tolerant control. This PhD thesis is therefore focused on FD and fault-tolerant control of a multiphase VSI. To achieve this research goal, the presented FD and control methods of the power converter are thoroughly investigated through literature review. Following that, the operational condition of the multiphase converter supplying the electrical machine is studied. Regarding FD methods in multiphase, three new algorithms are presented in this thesis. These proposed FD methods are also embedded in new fault-tolerant control algorithms. At the first step, a novel model based FD method is proposed to detect multiple open switch faults. This FD method is included in the developed adaptive proportional resonant control algorithm of the power converter. At the second step, two signal based FD methods are proposed. Fault-tolerant control of the power converter with the conventional PI controller is discussed. Furthermore, the theory of SMC is developed. At the last step, finite control set (FCS) model predictive control (MPC) of the five-phase brushless direct current (BLDC) motor is discussed for the first time in this thesis. A simple FD method is derived from the control signals. Inputs to all developed methods are the five-phase currents of the motor. The theory of each method is explained and compared with available methods. To validate the developed theory at each part, FD algorithm is embedded in the fault-tolerant control algorithm. Experimental results are conducted on a five-phase BLDC motor drive. The electrical motor used in the experimental results has an in-wheel outer rotor structure. This motor is suitable for electric vehicles. At the end of each part, the remarkable points and conclusions are presented

Hay una creciente demanda de vehículos con menor impacto ambiental y una mayor eficiencia de combustible. Para cumplir estos requisitos, la electrificación del transporte se ha introducido en la academia y la industria en los últimos años. Vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos son dos ejemplos prácticos en los sistemas de transporte. El tren de potencia típico en los vehículos eléctricos se compone de tres partes principales, incluyendo la fuente de energía, la electrónica de potencia y un motor eléctrico. En cuanto a la máquina, de imán permanente motores son la opción dominante para vehículos híbridos ligeros en la industria debido a su mayor eficiencia y densidad de potencia. Con el fin de operar el tren de potencia, la máquina eléctrica se puede suministrar y controlado por un inversor de fuente de tensión. El convertidor se somete a diversos tipos de fallos. Según las estadísticas, 38 % de las fallas en un motor se deben al convertidor de potencia. Por otro lado, el tren de potencia eléctrica debe cumplir con un alto nivel de fiabilidad. Máquinas multifase PM pueden cumplir con los requisitos de fiabilidad debido a sus características de tolerancia a fallos. La máquina puede seguir siendo operativo con fallas en múltiples fases. En consecuencia, para realizar una unidad de motor de alta disponibilidad de múltiples fases, tres conceptos principales deben desarrollarse incluyendo la detección de fallos, el aislamiento de fallas y control tolerante a fallos. Por tanto, esta tesis doctoral se centra en la FD y control tolerante a fallos de un VSI multifase. Para lograr este objetivo la investigación, los productos alimenticios y bebidas y métodos de control que se presentan del convertidor de potencia se investigan a fondo a través de revisión de la literatura. Después de eso, se estudió la condición operativa del convertidor de múltiples el suministro de la máquina eléctrica. En cuanto a los métodos de FD en múltiples fases, tres nuevos algoritmos se presentan en esta tesis. Estos métodos FD propuestas también están integrados en los nuevos algoritmos de control con tolerancia a fallos. En el primer paso, se propone un método FD modelo novela basada detectar fallas múltiples del interruptor abierto. Este método FD está incluido en el algoritmo de control adaptativo desarrollado proporcional resonante del convertidor de potencia. En el segundo paso, se proponen dos métodos FD señal basada. Se discute el control tolerante a fallos del convertidor de potencia con el controlador PI convencional. Además, la teoría de la SMC se desarrolla. En el último paso, el control conjunto finito modelo de control predictivo del motor de cinco fases sin escobillas de corriente continua se discutió por primera vez en esta tesis. Un método FD sencilla se deriva de las señales de control. Las entradas a todos los métodos desarrollados son las corrientes de cinco de fase del motor. La teoría de cada método se explica y se compara con los métodos disponibles. Para validar la teoría desarrollada en cada parte, FD algoritmo está incorporado en el algoritmo de control tolerante a fallos. Los resultados experimentales se llevan a cabo en una unidad de motor BLDC de cinco fases. El motor eléctrico usado en los resultados experimentales tiene una estructura de rotor exterior en las cuatro ruedas. Este motor es adecuado para los vehículos eléctricos. Al final de cada parte, se presentan los puntos notables y conclusiones