Aspetti critici di azionamenti elettrici ad alte prestazioni

Nowadays, the design and the use of electrical drives presents disparate problems and challenges. The aim of this thesis is to investigate different critical aspects related to electric drives, proposing innovative solutions. With the proliferation of wide band-gap (WBG) devices, issues related to high voltage overshoots at the motor terminals need to be taken into account in order to avoid an excessive electric stress on the insulation system of the motor, that can potentially reduce the overall reliability and lifetime. A study on a specific algorithm based on different multilevel electric drive architectures is carried out in order to mitigate this problem, independently from the type of the controlled electric machine. WBG devices have also been extensively used in electric vehicle (EV) chargers, seeing improvements in power density and efficiency. A study regarding the leakage currents affecting non-isolated integrated chargers for EV is carried out in this thesis. Large leakage currents lead to potential electric shocks to the users as well as on-board electronics failures. Different modulations based on a three level neutral point clamped converter are compared in order to mitigate this common mode effect. Another critical aspect associated to the field of electric drives is the control of high speed machines, that can be divided into motors with high mechanical speed and motors with a high number of pole pairs. With the standard proportional-integral regulator, if the motor is used at high electrical frequencies, the presence of low carrier ratios between the switching frequency of the electric drive and the electrical frequency of the motor brings the control to be unstable. A study on different control strategies for hybrid stepper motors is carried out in order to increase the bandwidth of the current loops. Lastly, an emerging and challenging problem is associated with the design of sensorless control algorithms for synchronous machines, aiming to remove the mechanical transducers. In such scenario, only stator currents are available for feedback and the reference voltages are imposed by the control. Observers typically require a good know of electrical parameters, and the estimation of unknown machine parameters becomes an additional challenge. Different stator flux observers, which provide estimates of rotor position for AC drives in presence of uncertain parameters, are included in a speed sensorless control for surface mounted permanent magnet synchronous machines and then compared. A study of the robustness of the whole control architecture with respect to uncertainties in the motor electrical parameters is carried out in this thesis.

Al giorno d’oggi, la progettazione e l’uso di azionamenti elettrici presenta diverse problematiche e sfide. L'obiettivo di questa tesi è quello di indagare diversi aspetti critici legati agli azionamenti elettrici, proponendo soluzioni innovative. Con la proliferazione di dispositivi wide band-gap (WBG) è necessario tenere conto dei problemi relativi alle sovratensioni presenti sui terminali del motore elettrico in modo da evitare un eccessivo stress sul sistema di isolamento del motore, che può potenzialmente ridurre l' affidabilità complessiva e la vita utile della macchina. Uno studio su uno specifico algoritmo basato su diverse architetture di azionamento elettrico multi-livello viene effettuato al fine di mitigare questo problema, indipendentemente dal tipo di macchina elettrica controllata. I dispositivi WBG sono stati anche ampiamente utilizzati nei caricabatterie per veicoli elettrici (EV), migliorando la densità di potenza e l'efficienza. In questa tesi viene effettuato uno studio sulle correnti di dispersione che interessano i caricabatterie integrati non isolati per EV. Grandi correnti di dispersione portano a potenziali scosse elettriche per gli utenti e guasti dell'elettronica di bordo. Si confrontano diverse modulazioni basate su un convertitore a tre livelli neutral point clamped per mitigare questo effetto di modo comune. Un altro aspetto critico associato al campo degli azionamenti elettrici è il controllo delle macchine ad alta velocità, che possono essere suddivise in motori ad alta velocità meccanica e motori con un elevato numero di coppie polari. Con il regolatore integrale proporzionale standard, se il motore viene utilizzato ad alte frequenze elettriche, la presenza di un basso rapporto tra la frequenza di commutazione dell'azionamento elettrico e la frequenza elettrica del motore portano il controllo ad essere instabile. Viene effettuato uno studio su diverse strategie di controllo per motori stepper ibridi al fine di aumentare la larghezza di banda degli anelli di corrente. Infine, un problema emergente ed impegnativo è associato alla progettazione di algoritmi di controllo sensorless per macchine sincrone, con l'obiettivo di rimuovere i trasduttori meccanici. In tale scenario, solo le correnti dello statore sono disponibili per il feedback e le tensioni di riferimento sono imposte dal controllo. Gli osservatori in genere richiedono una buona conoscenza dei parametri elettrici e la stima di parametri di macchina ignoti diventa un'ulteriore sfida. Diversi osservatori di flusso statorico, che forniscono stime della posizione del rotore per gli azionamenti AC in presenza di parametri incerti, sono inclusi in un controllo sensorless di velocità per macchine sincrone a magneti permanenti superficiali e quindi confrontati. In questa tesi viene effettuato uno studio della robustezza dell'intera architettura di controllo rispetto alle incertezze nei parametri elettrici del motore.