Modeling and analysis of multiphase machines for high power applications

This doctoral thesis is dedicated to the modeling and analysis of high-power multiphase electric machines. In the first part, the multiphase technology and variety in the field of high power electric drives and power generation is illustrated by means of some significant industrial realizations which highlight the main design issues and advantages that may lead to choose a high number of phases in large electric machinery. Subsequently, the attention is focused on the so called split-phase configurations, characterized by stator windings split into *N* three-phase sections. The modeling of these machines is revisited from an analytical viewpoint and an equivalent circuit representation is proposed for them; in particular, it is shown and experimentally proved that, when the number of stator sections *N* exceeds two, a magnetic cross-coupling arises between d-axis and q-axis equivalent circuits. A different modeling technique, called Vector-Space Decomposition (VSD), is then considered and extended to any kind of multiphase configuration, whether symmetrical or asymmetrical, through suitable geometrical transformations. A special effort is particularly spent on setting forth a general methodology which allows for space harmonics (related to the non-idealities of air-gap shape and winding distribution) to be included in the machine model through VSD. The result achieved is that some geometry- or design-related machine information which usually require finite-element simulations to be caught, can be successfully incorporated in the VSD lumped-parameter model of the *n*-phase machine, to an extent that is larger and larger as *n* grows. As an application example, it is shown how space harmonic effects in the operation of a six-phase and a nine-phase salient-pole multiphase machines can be reproduced by time-stepping finite-element analysis and by the proposed lumped-parameter methodology with the same level of accuracy but with a significant time and computational saving in the last mentioned case. A part of the thesis is also dedicated to model parameter calculation. Addressing the case of a general number and distribution of stator phases, algorithms are proposed to compute magnetizing parameters through the winding function theory and analytical computation methods are proposed for self and mutual leakage inductance parameters. The accuracy of the proposed computation method is assessed by comparison with measurements or real machines. The final part of the thesis is devoted to the study of two detailed phenomena which characterize high-power multiphase machines when supplied by multiple inverters. In the instance of multiple current-source inverters, a model is proposed and validated to describe commutation transients including the mutual interaction effects between different winding sections. In the instance of multiple voltage-source inverters, the low-frequency current circulation phenomenon is investigated analytically and experimentally showing how it arises due to the internal non-ideal machine structure.

Questa tesi di dottorato tratta della modellizzazione ed analisi di machine multiphase di alta potenza. Nella prima parte, si illustra la tecnologia multifase e la varietà delle sue forme progettuali nel campo degli azionamenti elettrici e della generazione di energia elettrica. Nella descrizione, si fa riferimento ad alcune realizzazione industriali significative che mettono in luce le principali problematiche e vantaggi che possono indurre alla scelta di una configurazione multifase in macchie elettriche di grossa taglia. Successivamente, viene trattata una particolare configurazione multifase detta “split-phase”, propria di quelle macchine il cui avvolgimento statorico è suddiviso in *N *sezioni multifase. La modellizzazione di queste macchine è rivisitata da un punto di vista analitico e ne viene fornita una rappresentazione in termini di circuito equivalente; in particolare, si dimostra teoricamente e sperimentalmente che, quando il numero *N* di sezioni statoriche è maggiore di due, si verifica un accoppiamento magnetico tra i circuiti equivalenti di asse diretto e di asse in quadratura. Successivamente, si considera una diversa tecnica di modellizzazione, chiamata Vector-Space Decomposition (VSD), con l’intento di darne una formulazione estesa che si applica trattare ogni tipo di configurazione multifase, sia simmetrica che non, ricorrendo ad opportune trasformazioni geometriche. Particolare attenzione è dedicata alla formulazione di un metodo generale che consente l’inclusione, nel modello della macchina con tecnica VSD, delle armoniche spaziali dovute alla non-idealità della geometria del traferro e della distribuzione degli avvolgimenti. In risultato che ne consegue è la possibilità di incorporare nel modello a parametri concentrati della macchina *n*-fase, realizzato con metodo VSD, alcune informazioni, legate alla geometria e al progetto di dettaglio della macchina, le quali normalmente possono essere tenute in considerazione mediante approcci di simulazione agli elementi finiti. La quantità di informazioni includibile nel modello a parametri concentrati secondo la tecnica proposta si mostra essere tanto maggiore quanto più grande è il numero di fasi *n*. Come esempio di applicazione, si mostra come gli effetti legati alle armoniche spaziali nel funzionamento di una macchina a poli salienti a 6 fasi e a 9 fasi possano essere riprodotti, mediante analisi agli elementi finiti nel dominio del tempo e mediante il metodo a parametri concentrati proposto, con lo stesso livello di accuratezza ma con un significativo risparmio di tempo e di risorse computazionali in quest’ultimo caso. Una parte della tesi è altresì dedicata al calcolo parametrico dei modelli. Riferendosi al caso di numero e distribuzione generici delle fasi di statore, vengono proposti algoritmi di calcolo dei parametri di magnetizzazione basati sulla teoria basata sulle “winding functions” e metodi di calcolo analitici per i parametri di auto e mutua induttanza dispersa. L’accuratezza dei metodi di calcolo proposti è verificata per confronto con misure su macchine reali. La parte finale della tesi è dedicata allo studio di due fenomeni dettagliati che caratterizzando le macchine elettriche multifase alimentate da più invertitori. Con riferimento all’alimentazione da più invertitori a corrente impressa, viene proposto e validato un modello che descrive i transitori di commutazione tenendo conto degli effetti di mutua interazione tra diverse sezioni dell’avvolgimento. Nel caso di alimentazione da più invertitori a tensione impressa, viene indagato analiticamente e sperimentalmente il fenomeno di correnti armoniche di ricircolo tra le fasi a bassa frequenza, dimostrando come esso si verifichi a causa della struttura interna non-ideale della macchina.