Multi-functional converter for three-phase motor drives : Modeling, analysis and fault-tolerant control - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2022

Multi-functional converter for three-phase motor drives : Modeling, analysis and fault-tolerant control

Convertisseur multifonctionnel pour l'alimentation des moteurs triphasés : Modélisation, analyse et commande tolérante aux fautes

Abstract

This thesis focuses on a two-level voltage-source-inverter fed three-phase permanent magnet synchronous machine drive which integrates an equivalent direct current (DC)/DC boost function by utilizing the machine's neutral point (NP). Such a drive system is referred to as multi-functional converter system (MFCS), and can be a promising alternative to the two-stage converter-based electric traction system in electric vehicles. First, to clearly reveal the mechanism, the average model of the basic MFCS is built. Then, different equivalent circuits are developed to explain the integrated boost function. Due to the conducting of the zero-sequence circuit, a specified modulation method named zero-sequence voltage injected pulse-width modulation is proposed. Second, to improve the basic MFCS, two new variants named MFCS-I and MFCS-II are further proposed. For the former, it employs a series inductor to suppress the current ripple. For the latter, it employs an auxiliary inverter leg to improve the effective step-up ratio. To control different MFCSs, a universal control strategy is proposed where the classic field-oriented control can still be used to control the motor function and a differential flatness-based controller is used to regulate the DC-bus voltage. Third, considering the innately connected NP in the MFCS-I, its fault-tolerant potential against an open-phase fault is explored for the first time. To this end, three constraints are found to achieve the fault-tolerant possibility. Then, a novel post-fault current vector trajectory is proposed which contributes to a constant torque and a stable average DC-bus voltage in post-fault conditions. Finally, the effectiveness of above ideas and control strategies is verified on experimental platforms.
Cette thèse porte sur un système d'entraînement de machine synchrone à aimants permanents triphasée alimentée par un onduleur qui intègre un étage de conversion continu/continu, en utilisant le point neutre de la machine. Cette architecture, appelée système de convertisseur multifonctionnel (MFCS), peut être avantageusement utilisée dans des applications de traction automobile dans le cas où une élévation de tension est nécessaire. Premièrement, une analyse approfondie est présentée afin de comprendre et de modéliser le MFCS. Une méthode de modulation spécifique est, de plus, proposée utilisant la particularité que le courant homopolaire n'est pas nul. Deuxièmement, deux nouvelles variantes nommées MFCS-I et MFCS-II ont été conçues afin d'améliorer le MFCS de base. Pour la première, une inductance en série est ajoutée pour diminuer l’ondulation du courant. Pour la seconde, l'ajout d'un bras d’onduleur auxiliaire améliore le rapport d'élévation effectif de la tension. Pour contrôler ces variantes de MFCSs, une stratégie de commande universelle est développée dans laquelle une commande vectorielle peut être prise en compte pour la fonction moteur et un contrôleur basé sur la platitude différentielle est utilisé pour réguler la tension du bus continu. Troisièmement, compte tenu de la connexion intrinsèque du point neutre dans le MFCS-I, son potentiel de tolérance aux fautes contre un défaut de phase ouverte est exploré pour la première fois. Une étude théorique permet de formuler les conditions pour atteindre cette propriété et une nouvelle trajectoire vectorielle de courant est proposée, générant un couple constant et une tension moyenne stable du bus continu après un défaut. Pour finir, les idées et les stratégies de contrôle présentées ci-dessus sont systématiquement validées expérimentalement sur des plateformes de prototypage rapide de lois de commande.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03709325 , version 1 (29-06-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03709325 , version 1

Cite

Xiaokang Zhang. Multi-functional converter for three-phase motor drives : Modeling, analysis and fault-tolerant control. Electric power. Université de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYSEI021⟩. ⟨tel-03709325⟩
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