Model predictive control for a dual active bridge inverter with a floating bridge

This paper presents a Model Predictive Control technique applied to a dual active bridge inverter where one of the bridges is floating. The proposed floating bridge topology eliminates the need for isolation transformer in a dual inverter system and therefore reduces the size, weight and losses in the system. To achieve multilevel output voltage waveforms the floating inverter DC link capacitor is charged to the half of the main DC link voltage. A finite-set Model Predictive Control technique is used to control the load current of the converter as well as the floating capacitor voltage. Model predictive control does not require any switching sequence design or complex switching time calculations as used for SVM, thus the technique has some advantages in this application. A detailed analysis of the converter as well as the predictive control strategy is given in this paper. Simulation and experimental results to validate the approach are also presented

Adding inverter fault detection to model-based predictive control for flying-capacitor inverters

As inverters are often used in critical applications, reliability is an important issue. Especially the power electronic switches and gate drivers, the most essential components of the inverter, are vulnerable parts in real live operation. Therefore this paper focuses on open switch fault detection for multilevel inverters. When a single-switch open circuit fault occurs in one of the power electronic switches, the algorithm can detect the fault and the switch that is causing it. The detection is worked out for both a linear resistive inductive load and an induction motor. The proposed algorithm is an extension of an already available finite-set model based predictive control algorithm. Therefore no extra hardware or measurements are required. The paper also discusses a suggested method for reconfiguration after fault detection. Computer simulation and experimental verifications validate the proposed methods

Detekcija odspojene faze i na kvarove otporno upravljanje pretvaračem napajanim sinkronim motorom s permanentnim magnetima

In this paper first a current predictive method for single open-phase fault detection in a three phase drive with a permanent magnet synchronous machine is presented. The proposed method is based on a predictive stator current calculation. For each sampling interval the difference between the actual stator current and its predicted value in a previous sampling interval is calculated. To identify the location of a single open-phase fault, an identification method is presented which is based on the analysis of the stator current vector angle. After the single open-phase fault is detected and identified it is desirable for the electrical machine to continue operating with a reduced number of phases. For this purpose, a modified direct torque control algorithm for the fault-tolerant control is implemented. In order to improve the performance of the drive, a pre-firing angle is additionally introduced. All proposed methods have been simulated in Matlab/Simulink and verified on an experimental model.U članku je prvo predstavljena metoda za detekciju kvara odspojene faze u trofaznom elektromotornom pogonu sa sinkronim motorom s permanentim magnetima zasnovana na predikciji struja statora. U svakom koraku uzorkovanja računa se razlika između trenutne mjerene struje statora i prediktirane vrijednosti iz prethodnog koraka. U svrhu određivanja lokacije odspojene faze, predstavljena je metoda identifikacije zasnovana na analizi kuta vektora struje statora. Nakon otkrivene i utvrđene odspojene faze, poželjno je nastaviti rad električnog stroja sa smanjenim brojem faza. U ovu svrhu implementiran je izmijenjeni algoritam izravnog upravljanja momentom za postizanje na kvarove otpornog upravljanja. Da bi se unaprijedilo vladanje sustava elektromotornog pogona, dodatno je uveden kut prethođenja aktivacije impulsa. Sve predložene metode simulirane su u Matlab/Simulink okruženju i provjerene na eksperimentalnom postavu

Extension of Finite-Control Set Model-Based Predictive Control Techniques to Fault-Tolerant Multiphase Drives: Analysis and Contributions

Las máquinas eléctricas son una de las principales tecnologías que hacen posible las energías renovables y los vehículos eléctricos. La necesidad constante de incrementar la capacidad de potencia para generar más energía o para impulsar vehículos cada vez más grandes, ha motivado la investigación y el desarrollo en el área de las máquinas multifásicas las cuales, gracias a su número de fases, permiten no sólo manejar más potencia con menos pulsaciones de par y contenido armónico en la corriente que las máquinas trifásicas convencionales, sino que también permiten obtener una mayor tolerancia a fallos, aumentando el interés de su implementación en aplicaciones donde la fiabilidad juega un papel importante por razones económicas y de seguridad. La investigación más reciente en el área de sistemas multifásicos se centra en el desarrollo de técnicas que permitan explotar las características específicas y especiales de las máquinas multifásicas, viendo el incremento en el número de fases no como un aumento en la complejidad de implementación, sino como un mayor número de grados de libertad tanto en el diseño como en el control, permitiendo mejorar sus prestaciones y fiabilidad, haciéndolas más atractivas para su uso en aplicaciones industriales. Es así como se han desarrollado técnicas de control que permitan operar a alta velocidad o alto par, tolerancia a diferentes tipos de fallos y máquinas con diferentes conexionados de devanados o con sistemas formados por múltiples variadores y máquinas. El objetivo de esta tesis doctoral es la extensión del control predictivo para máquinas multifásicas (específicamente el control predictivo de estados finitos basado en modelo o FCS-MPC por sus siglas en inglés) a la operación tolerante a fallos, aprovechando la capacidad de tolerancia a fallos que las máquinas multifásicas poseen, asegurando su funcionamiento de una manera eficiente y controlada. Con este fin se estudió el modelo matemático de la máquina en condiciones de pre- y post- falta considerando diferentes tipos de faltas, permitiendo establecer el efecto que las condiciones de fallo tienen en el comportamiento del sistema. Se desarrollaron modelos de simulación de una máquina de inducción de cinco fases, considerando faltas de fase abierta y en el disparo de los IGBT’s de una fase, permitiendo el diseño y validación del controlador FCS-MPC tolerante a fallos, cuyos resultados obtenidos fueron presentados en diversos congresos internacionales. La posterior implementación y validación experimental del control tolerante a fallos propuesto dio lugar a la publicación de dos de los artículos científicos presentados en esta tesis. Del mismo modo, se desarrolló un control tolerante a fallos basado en controladores lineales (de tipo resonante), teniendo en cuenta los esquemas propuestos en publicaciones científicas recientes y se realizó una comparativa entre el control tolerante a fallos basado en FCS-MPC y el controlador resonante ante un fallo de fase abierta, mediante resultados de simulación y experimentales, dando lugar a la publicación en un congreso internacional y en un artículo de revista científica. Las contribuciones de esta tesis doctoral se han publicado en la revista científica IEEE Transactions on Industrial Electronics entre los años 2013/2015