Stator Fault Diagnosis in Six-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines Under Transient Conditions

Abstract

Nos últimos anos, a máquina síncrona de ímanes permanentes (PMSM) tem ganho grande atenção devido a vantagens que lhe são inerentes, como a alta densidade de binário, a alta densidade de potência e a elevada eficiência. O desenvolvimento de máquinas multifásicas (m-PMSMs), como a configuração de seis fases assimétrica, tem estendido o potencial das PMSMs para aplicações que requerem um elevado grau de fiabilidade, por exemplo em sistemas de segurança critica, onde a elevada tolerância a falhas característica desta máquina é fortemente necessária. No entanto, estas configurações avançadas não são totalmente imunes a falhas, como é o caso do curto-circuito entre as espiras dos enrolamentos do estator, que pode causar avarias catastróficas se não for detetado a tempo. Adicionalmente, as aplicações onde estas máquinas são utilizadas envolvem maioritariamente acelerações/desacelerações, o que aumenta a dificuldade na deteção da falha. Para detetar, e localizar, um curto-circuito entre espiras, em regime transitório, foram desenvolvidos dois métodos nesta dissertação. O primeiro método faz uso da transformada rápida de Fourier (STFT) e de uma técnica de pesquisa de ordens harmónicas por forma a extrair a informação relativa à falha. O segundo método por sua vez faz uso da teoria de referenciais múltiplos para extrair diretamente a informação relativa à falha, sem a necessidade de utilizar técnicas de tempo-frequência. Os resultados experimentais permitem concluir que ambos os métodos são sensíveis na deteção do curto-circuito entre espiras, tanto em condições de velocidade variável como também de binário de carga variável. Estas técnicas aqui desenvolvidas aumentam a fiabilidade em acionamentos de PMSMs com seis fases, assegurando uma maior segurança quando a máquina funciona tanto em regime permanente, como em regime transitório.

In the past couple of decades the permanent magnet synchronous machine (PMSM) has gained great attention due to some inherent advantages such as its high torque density, high power density and high efficiency. The development of multiphase PMSMs (m-PMSM), such as the six-phase asymmetrical configuration, has further extended the potential of PMSMs for high-reliability applications, for instance in safety and mission-critical systems, where the increased fault-tolerance brought by this machine is much required. However, these advanced arrangements are not immune to faults, such as interturn short-circuits (ITSCs) in the stator windings, which can result in catastrophic failures if left undetected. Additionally, the applications where these machines are used mostly involve accelerations/decelerations and load torque variations, which make the fault diagnosis more challenging. To detect, and locate, the interturn short-circuit, under non-stationary conditions, two methods were developed in this thesis. The first method makes use of the short-time Fourier transform (STFT) and a novel order-tracking technique to extract the related fault features. The second method makes use of the multiple reference frames (MRF) theory to directly extract the same fault features. Experimental results demonstrate that both methods are effective and sensitive in the detection of ITSCs, in both speed varying and load torque varying conditions. These techniques improve the reliability of six-phase PMSM drive systems ensuring a safe operation under stationary and non-stationary conditions.