Diagnosis of Stator Faults in a Multiphase PMSM using a Disturbance Observer

Abstract

This dissertation presents a comprehensive investigation into the diagnosis of interturn short-circuit faults in a six-phase permanent magnet synchronous machine (PMSM), employing a disturbance observer (DOB) as the main diagnostic tool.Chapter 1 introduces the context and motivation that led to this work, outlines the objectives, and sets the stage for the subsequent chapters.Chapter 2 provides an overview of the current state-of-the-art regarding different types of faults in multiphase machines and the corresponding diagnostic methods employed.Chapter 3 provides the healthy asymmetrical six-phase PMSM mathematical model, and implemented control system. The chapter ends with the presentation of a deadtime compensation algorithm.Chapter 4 presents the model of a six-phase PMSM with interturn short-circuits and the employed diagnostic methods for fault detection, including the DOB output signal, stator reference voltages, and stator complex power, primarily used for comparative analysis.Chapter 5 evaluates the robustness of the proposed diagnostic methods, by validating them through finite element analysis using a 2D cosimulation model developed in Ansys software.Subsequently, the effectiveness of the methods was validated through extensive experimental tests with the six-phase PMSM in different operating conditions. The obtained results show that it is possible to detect effectively interturn short-circuit at medium and high speeds. Difficulties arise when trying to diagnose the most incipient fault cases, which is one turn in short-circuit, especially at low/medium rotor speeds. Also, the location of the faulty phase was possible under 7 short-circuited turns at 1200 rpm.Chapter 6 concludes this work by comparing the effectiveness of the three fault diagnosis methods proposed and investigated for six-phase PMSMs. The advantages and limitations of each method are discussed, providing valuable insights into their diagnostic capabilities. Moreover, this dissertation lays the foundation for future research endeavors in the field of fault diagnosis for multiphase machines, leaving space for several future research topics.

Esta dissertação apresenta uma investigação abrangente sobre o diagnóstico de falhas de curtos-circuitos entre espiras numa máquina síncrona de ímanes permanentes (PMSM) de seis fases, utilizando um observador de perturbação (DOB) como principal ferramenta de diagnóstico.O Capítulo 1 introduz o contexto e a motivação que levaram a este trabalho, delineia os objetivos e prepara o terreno para os capítulos seguintes.O Capítulo 2 fornece uma visão geral do estado da arte em relação a diferentes tipos de falhas em máquinas de multifásicas, e os métodos de diagnóstico utilizados.O Capítulo 3 apresenta o modelo matemático de um PMSM de seis fases saudável na configuração assimétrica e o sistema de controlo implementado. O capítulo termina com a apresentação de um algoritmo de compensação do tempo morto dos inversores.O Capítulo 4 apresenta o modelo de um PMSM de seis fases com curtos-circuitos entre espiras e os métodos de diagnóstico utilizados para deteção de falhas, incluindo o sinal de saída do DOB, as tensões de referência do estator e a potência complexa do estator, principalmente utilizados para efetuar uma análise comparativa.O Capítulo 5 avalia a robustez dos métodos de diagnóstico propostos, validando-os através de análise de elementos finitos usando um modelo de cosimulação 2D desenvolvido no software Ansys. Posteriormente, a eficácia dos métodos foi estendida através de extensos dados experimentais com o PMSM de seis fases em diferentes condições de operação. Os resultados obtidos mostram que é possível detetar curtos-circuitos entre espiras a médias e altas velocidades. Dificuldades surgem ao tentar diagnosticar casos de falhas mais incipientes como um curto-circuito numa única espira, especialmente a baixas/médias velocidades do rotor. Além disso, foi possível identificar a fase com falha para 7 espiras em curto-circuito a 1200 rpm.O Capítulo 6 conclui este trabalho, comparando a eficácia dos três métodos de diagnóstico de falhas propostos e investigados para PMSMs de seis fases. São discutidas as vantagens e limitações de cada método, fornecendo revelações valiosas sobre as suas capacidades de diagnóstico. Além disso, esta dissertação estabelece as bases para futuras investigações no campo do diagnóstico de falhas em máquinas multifásicas, deixando espaço para diversos tópicos de investigação futuros.