Fault Tolerant Power Electronics Systems

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.