Fault Tolerant Power Electronics Systems

Research work reported in this Ph.D. thesis is in the area of power electronics systems, specifically in the sector of electrical drives. A trustworthy operation of power electronics systems in critical applications like electric vehicles, aircrafts, satellites, and so on, has pushed engineers to develop fault-tolerant solutions. Indeed, in such applications it is necessary for the system to continue its operation, possibly with downgraded performance, even under faulty case. Present thesis reports the studied solutions to make fault-tolerant a class of electric drives under faulty conditions. It has initiated by addressing the need and importance of the usage of power electronic systems in the field of transportation sector, in particular in the automobile and aerospace industry. Permanent magnet (PM) brushless (BL) drives have become very popular thanks to their higher torque-per-ampere capabilities. Among the two different types of PM BL drives, namely those with sinusoidal back-emf (BLAC) and those with trapezoidal back-emf (BLDC), the latter ones are preferred for light-duty propulsion such as minicars and scooters, and in aeronautics as control-surface actuators. However, some concern have emerged on the use of electrical drives in such applications with regard to the fault tolerance and the power capability per volume unit. A way to effectively cope with these concerns is the adoption of multiphase drives. In this sense, a five-phase drive is a promising solution as it is the most simple multiphase structure of practical interest. The thesis starts with the study of the phase current and torque behavior in three-phase PM BLDC drive in healthy conditions. To validate the mathematical findings, a study case is used, represented by an electrical drive with in-wheel motor utilized for the propulsion of a city car. Afterwards, various types of faults in voltage source inverter (VSI) of a three-phase PM BLC drive are considered, such as one leg open, one switch open and one switch shorted. Remedial control strategies for the faults of the VSI are envisaged, that enable the three-phase PM BLDC drive to continue to operate even if in a degraded way. The resulting performance is calculated in terms of developed torque and torque ripple. The mathematical findings are substantiated with graphs obtained by simulation. A five-phase PM BLDC drive is successively considered. First, its operation and its torque capabilities are investigated in healthy conditions under ideal square-wave current supply. The torque capabilities are compared to the three-phase counterpart; torque comparison is carried out by keeping motor size constant and by considering two hypotheses: equal phase back-emf and equal phase rms current. Then, the torque available from a five-phase drive is determined under various supply modes, characterized by the conduction of a reduced number of phases; the torque available is determined by imposing an rms phase current equal to the nominal one. Moreover, the current behavior during the phase commutations for the five-phase PM BLDC drives is analyzed as they exhibit some differences with respect to the three-phase counterpart. The outcomes of the current analysis are used to derive the effective torque developed by the drive and the torque ripple exhibited as a function of the motor speed. The base speed of the drive is also determined. Also for the torque results, the differences from the well-known characteristics of the three-phase PM BLDC drives are pointed out. Lastly, an algebraic approach is developed to describe the operation of a five-phase PM BLDC drive in healthy conditions. The approach has led to the formulation of a model of the phase current supply of the motor in healthy conditions. Further, the model has been suitably adjusted to derive the mode (scheduling and magnitude) of current supplying the survival phases in the case of one or more motor open phase faults. The cases of one /two/three open phase faults have been examined and, in the case of two and three faulty phases, the cases of adjacent and non-adjacent faulty phases. For each case, the current magnitude has been found by imposing that the rms value of the current in the most solicited phase is equal to the nominal value, and the torque that the drive is able to develop as well as the maximum value of the torque ripple have been calculated. The obtained results indicate that the reduction in the motor torque as well as the extent of the torque ripple is depending, besides on the number of the faulty phases, on the relative location of the faults. The thesis work also address the evolution of electrical power generation and conversion methodologies in more electric aircraft, fault-tolerant solutions under faulty Hall sensors, and the concepts of dependability and safety aspects. The thesis work has been carried out at the Laboratory of “Electric systems for automation and automotive” headed by Prof. Giuseppe Buja. The laboratory belongs to the Department of Industrial Engineering, University of Padova, Italy.

Il lavoro di ricerca riportato nella tesi di dottorato è stato svolto nel campo dei sistemi di elettronica di potenza, in particolare degli azionamenti elettrici. Un funzionamento affidabile dei sistemi di elettronica di potenza in applicazioni critiche come i veicoli elettrici, gli aerei, i satelliti, ecc. ha spinto gli ingegneri a sviluppare soluzioni fault-tolerant. Infatti, in tali applicazioni è necessario che il sistema continui a funzionare, eventualmente con prestazioni declassate, anche in caso di guasto. La presente tesi riporta le soluzioni studiate per rendere fault-tolerant il comportamento di una tipologia di azionamenti elettrici in condizioni di guasto. Essa ha inizio con una disamina sulla necessità e sull'importanza dell’impiego di sistemi di elettronica di potenza nel settore dei trasporti, segnatamente nell'industria automobilistica e aerospaziale. Gli azionamenti a magnete permanente (PM) di tipo brushless (BL) sono diventati molto popolari grazie alla loro capacità di sviluppare elevate coppie per unità di corrente. Tra i due diversi tipi di azionamenti PM BL, quelli con forza controelettromotrice sinusoidale (BLAC) e quelli con forza controelettromotrice trapezoidale (BLDC), questi ultimi sono preferiti per la propulsione leggera come minicar e scooter e nel settore aeronautico come attuatori dei comandi di volo. Qualche timore è emerso sull'uso degli azionamenti elettrici in tali applicazioni in relazione alla tolleranza ai guasti e anche alla potenza sviluppabile per unità di volume. Un modo per affrontare efficacemente questi timori è l'adozione di azionamenti multifase. Sotto questo aspetto un azionamento a cinque fasi è una soluzione promettente in quanto è la struttura multifase di pratico interesse più semplice. La tesi inizia con lo studio dell’andamento delle correnti e della copia in azionamenti trifase PM BLDC nel funzionamento in condizioni di integrità. Per convalidare i risultati matematici è stato utilizzato un caso di studio rappresentato da un azionamento PM BL con motore ruota utilizzato per la propulsione di city car. Successivamente, la tesi considera vari tipi di guasto dell’invertitore a tensione impressa (VSI) che alimenta il motore PM BL, come ad esempio una gamba aperta, un interruttore aperto o un interruttore cortocircuitato, e propone strategie di controllo correttive che, tenendo conto del tipo di guasto, consentano all’azionamento di continuare a funzionare anche se in modo degradato. Le prestazioni che ne risultano sono calcolate in termini di coppia sviluppata dal motore e di ripple di coppia. I risultati sono supportati da grafici ottenuti per simulazione. Si è preso quindi in esame un azionamento PM BL a cinque fasi. Dapprima si sono studiati il suo funzionamento e le sue prestazioni di coppia in condizioni di integrità e di andamento ideale delle correnti di fase ed essi sono stati confrontati con quelli di un azionamento PM BL trifase. Il confronto è stato eseguito mantenendo invariate le dimensioni del motore e considerando due ipotesi: parità del valore della tensione controelettromotrice di fase e parità del valore efficace della corrente di fase. Inoltre è stata determinata la coppia disponibile in varie condizioni di guasto, caratterizzate dalla conduzione di un numero ridotto di fasi, nell’ipotesi che l’ampiezza delle correnti di fase abbia un valore efficace pari a quello nominale. Si è quindi analizzato l’andamento delle correnti durante le commutazioni di fase dell’azionamento PM BL mostrando come esso presenti sensibili differenze rispetto ad un azionamento PM BL trifase. Tale andamento è stato utilizzato per trovare la coppia effettivamente sviluppata dall’azionamento e il ripple di coppia in funzione della velocità del motore. E’ stata inoltre determinata la velocità base dell’azionamento. Anche per i risultati di coppia sono state evidenziate le differenze rispetto al caso di azionamento PM BL trifase. E’ stato infine sviluppato un approccio algebrico per descrivere il comportamento di un azionamento PM BL a cinque fasi; esso ha portato a formulare un modello dell’alimentazione in corrente delle fasi del motore in condizioni di integrità. Il modello è stato successivamente opportunamente modificato per derivare le modalità (tempistica e ampiezze delle correnti) di alimentazione delle fasi integre del motore nel caso che un guasto dell’azionamento porti all’apertura di una o più fasi del motore. Sono stati presi in esame i casi di una / due / tre fasi guaste e, nel caso di due e tre fasi guaste, i casi di fasi guaste adiacenti e non adiacenti. Per ogni caso è stata determinata l’ampiezza delle correnti imponendo che il valore efficace della corrente nella fase più sollecitata sia pari al nominale e sono stati ricavati la coppia sviluppabile dal motore e il valore massimo del ripple di coppia. I risultati ottenuti mostrano che la riduzione della coppia del motore e l’ampiezza del ripple di coppia dipendono, oltre che dal numero di fasi guaste, dalla posizione relativa delle fasi guaste. Il lavoro di tesi discute anche l'evoluzione delle metodologie di produzione di energia elettrica e di conversione nelle applicazioni “more-electric aircraft”, soluzioni fault-tolerant in presenza di sensori Hall guasti, e il concetto di affidabilità e di sicurezza funzionale. Il lavoro di tesi è stato effettuato presso il Laboratorio di “Sistemi elettrici per l'automazione e la veicolistica” diretto dal Prof. Giuseppe Buja. Il Laboratorio fa parte del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova, Italia.