TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 2, Februa ry 20 15, pp. 264 ~ 270   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i2.691 0          264     Re cei v ed O c t ober 2 6 , 201 4; Revi se d Decem b e r  8, 2014; Accepte d  De cem ber  22, 2014   DTC Method for Vector Control of 3-Phase Induction  Motor under Open-Phase Fault       M. Jannati*,  N. R. N. Idris, M. J. A. Az iz  Univers i ti T e knolo g i Mal a ysia,  UT M-PROTON Future Driv Lab orator y, F a cult y   of Electric al Eng i ne eri ng,   Univers i ti T e knolo g i Mal a y s ia,  8131 0 Skud ai,  Johor Bahr u, MALAYSIA  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : jann atim94 @ y a h o o .com       A b st r a ct   T h ree-p hase I nducti on Motor  (IM) drives are w i dely  us ed  in ind u stria l  e qui p m ents. On e of the   essenti a pro b l e ms  of  3-ph as e IM dr ives is their hig h   s pee a nd  t o rqu e  p u lsati on in   the fault  co nditi ons .   T h is pap er sh ow s Direct T o rque C ontrol (D T C ) strat egy for vector control of  a 3-ph as e IM under op en- circuit fault. T h e obj ective  is to i m pl e m e n t a soluti on fo r ve ctor control of  3-ph ase IM dri v es w h ich ca b e   also  use d  u n d e r op en- ph ase  fault. MAT L A B  si mul a tio n w e re carrie d   o u t an d p e rfor ma nce  an alysi s is   prese n ted.      Ke y w ords : 3-p hase IM, DT C, ope n-ph ase fa ult, simu lati on r e sults         Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   3-ph ase Indu ctiom Moto r (IM), beca u se  of it s simplicity of constru c tion, low  co st, and   robu stne ss, is a go od can d idate for in d u strial  appl i c ations [1]. Th e IM can b e  affected by m any  different type s of faults. T hese faults in clud e the  followin g : 1) stat or faults  (ope n or short  circuit  faults); 2) rot o r elect r ical  f aults (op e n   o r  sho r ci rcuit  faults fo wou nd  rotor IM a nd b r o k en  ba r(s)  or  cra c ked   end-rin g  for squi rrel-ca g e  IM);  3 )  rotor me ch an ical fault s  (beari ng  dam age,  eccentri city, bent shaft, and misalignment)  [2-7].   In some critical  a ppli c at ions, a backup   approa ch mu st be implem ented to  guarantee that the fault is han dl ed in su ch  a way that there  will be n o  da mage. Fault - tolera nt co ntrol is pa rt of this ba ckup  a ppro a ch. It aims at in suri n g  a   degrade d op eration m ode  in the pre s en ce of faults.   The  b a si v e ct or co nt rol s c hem s su ch as  Fi el d-Orie nted Control  (FOC ) o r  Di re ct Tor que   Control (DTC) whi c h are e m ploy ed to control 3-pha se IM under b a lan c ed cond ition cann ot be  use d  dire ctly for vector  co ntrol of 3-p h a s e IM  und er  unbal an ced  condition (fa u lt conditio n ). If a  basi c  ve ctor  control meth od is used to  cont rol  u nba lanced IM, hi gh o scill ation s  in th e ma chine   torque a nd speed  can be  observed. In these co nditio n s, it is necessary a   ne w control alg o rith is appli ed [8-23].  The m a in  co ntribution  of t h is  re sea r ch i s  to  int r od uce  a novel  an simple  vecto r  co ntrol  techni que  ba sed  on  DT for 3 - ph ase I M  whi c h  can  be  also u s e d  for 3-pha se IM u nde r f ault  con d ition (o p en-p h a s e faul t). Differently from t he previous te chni qu es to co ntrol I M  unde r ope n- pha se fa ult (e.g., [8-23]),   the rotational  tran sfor mati on m a trices  are  not  nee d  to  control fa ulty  machi ne. (th e  previou s  m e thod s to co ntrol IM  in [8-24] are b a sed on FO C).  This re sea r ch is   orga nized as  follows: In section 2, d-q m odel of f aulty  3-ph ase IM is pres ented. After that, vector  control equ ations fo r faulty 3-ph ase IM base d   on DTC are presente d  in se ction 3 .  The MATLAB  simulatio n  re sults a nd cop m ari s ion s  are  sho w n in section 4 and se ction 5 con c lu des the p ape r.      2.  Fault y  Machine Model   The  d-q  mo del of  3-pha se IM  un de r ope n-circuit  fault  can  b e  sho w n  as followi ng   equatio ns [9]:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     DTC M e thod  for Vecto r  Co ntrol of 3-Pha s e Indu ction  Motor un der  Open -Pha se … (M. Jan nat i)  265 s qr s dr s qs s ds r r r r ms ms r r r r r ms r ms ms ms ls s ms ms ls s s qs s ds i i i i dt d L r L dt d L L L dt d L r L dt d L dt d L dt d L L r dt d L dt d L L r v v 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 0 2 1 0 0 2 3 0 2 3 0 0     (1)  s qr s dr s qs s ds r ms r ms ms ms ls ms ms ls s qr s dr s qs s ds i i i i L L L L L L L L L L 0 2 3 0 0 0 2 3 2 3 0 2 1 0 0 2 3 0 2 3     (2)   r r l e s qr s ds ms s dr s qs ms e F dt d J Pole i i L i i L Pole 2 2 3 2 3 2   (3)  (4)    Whe r e,  v s ds , v s qs , i s ds , i s qs , i s dr , i s qr λ s ds λ s qs λ s dr  and  λ s qr  are the  d-q axes voltag es,  current s,  and  fluxes of the   stator  and  rot o r in  the  stat or  referen c e f r ame  (sup erscript  s ”) r s  a nd  r r  den ote t h e   st at or a nd ro t o r re sist a n c e s.   L ls , L ms   a nd  L r  den ote  the stator a nd roto r lea k age an d mut ual  indu ct an ce s.   r  is the ma chine  sp eed.  τ e τ l , J  an F  are el ectrom agneti c  to rqu e , load  torqu e inertia an d viscou s friction  coefficie n t. The d-q m odel  of 3-pha se IM unde r ope n-ci rcuit fault wa obtaine d usi n g an app roa c h like that used to obt ain the model fo r a healthy 3-p hase IM [9].      3.  DTC o f  fa ulty   3-phase IM   In this s e c t ion, DTC  s t rategy  is   adapted to a faulty  3- phase IM  (in th is paper  SVPWM   DTC i s  use d ). Due to the  fact that the  uneq ual  para m eters in the model  of faulty 3-pha se IM  there is an o s cillating term i n  the electro m agneti c  to rq ue of machin e. It is possibl e to remove the  oscillating term of elect r omagnetic torque  by using The transformation element. This  transfo rmatio n element is:     s qs s qs s ds s ds s qs s qs s ds s ds v v v v i i i i k 1 1 1 1 3 1 , 3 , 3   (5)     Usi ng   (5), th e faulty machine m odel  (equat io ns (1 )-(4 )) ca be  obtaine a s   followin g   equatio ns:     dt d i r v dt d i r v s qs s qs s s qs s ds s ds s s ds 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3   (6)   (7)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  264 – 270   266 Equation s  (6 ) and (7 ) ca n be written a s :     dt d L M dt di L i r v dt d L T M T v s qr r s qs s s s qs s s qs s ds r s r s dr s r s ds s ds 1 1 1 1 1 1 1 1 3   (8)   (9)     More over, the electroma g netic torq ue  o f  faulty machine is given by    s qs s ds s ds s qs e i i Pole 1 1 1 1 2   (10 )      Whe r e:     r s s L L M 2 1   (11 )      Since, the st ator flux vector is alig ned   with d-axis t hen Equatio n  (8)-(1 0)  can  be re- written a s  (i n these e q u a tions  sup e rscript “ sf ” in dicate that the vari abl es are in the stator  referenc e frame:     s s qs e e sf qs r s r sf qs s s sf qs s sf qs e sf ds sf ds s r s r r s r s s r s sf ds i Pole i L L r dt di L i r v Mi di M L L M L L T M dt d T v sf qs sf ds 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1     (12 )    (13 )    (14 )      Based  o n   (12 )  a nd  (1 3), th e ne ce ssa r voltages for faulty ma chin e ( v ds1 sf  and   v qs1 sf ) can   be pro d u c ed  by 2 PI controllers and  e ds 1 sf  and  e qs1 sf Therefore, Fi gure 1  can b e  pre s ente d  for  vector  control  base d  DT C of 3-pha se IM  under o pen -pha se fault.          Figure 1. DT C blo ck di agram  of faulty 3-pha se IM   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     DTC M e thod  for Vecto r  Co ntrol of 3-Pha s e Indu ction  Motor un der  Open -Pha se … (M. Jan nat i)  267 In this Figure, [ T s sf ] perform s sig nal transfo rmatio n from stato r  referen c e frame t o   stationa ry ref e ren c e fram e .  Moreove r , the blo ck [ T s fa ult ] is 2 to 2 tran sform a tion  for the stato r   curre n t variab les an d difine d as follo ws [ 9 ]:     1 1 1 1 2 2 fa u l t s T   (15 )     In addition:       s ds s qs sf s qs s ds s 1 1 1 2 1 2 1 tan   (16 )     Based  on  Fi gure  1, Fig u re 2  can  be  p r opo se d for  vector  co ntro l of both  hea l thy and  faulty 3-pha se IM. To swit ch bet wee n  the two  con d itions  (bal an ce d and u nbala n ce d co nditio n s),   four switche s  are u s e d  wh ereby the  swi t che s  will  cha n ge p o sition s from bal an ced condition t o   unbal an ced  condition  after  fault dete c tio n . The  pa ra m e ters in th e p r opo se sche me that  req u i r to be cha nge d from bala n ced co ndition t o  unbal an ced  conditio n  are  given in Tabl e 1.          Figure 2. DT C blo ck di agram of  healthy and faulty 3-pha se IM      Table 1. Co m pari s on b e tween Two Vect or Co ntrol Te chni que   3 to 2 (2 to  2) tra n sformation matrix for  the stator variabl es:  Transform ation  matrix fo r stator  q-axis variables:  Health y  3 - phase  IM  cs bs as s qs s ds i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 1   k   Fault y  3 - phase I M   bs as s qs s ds i i i i 1 1 1 1 2 2 3   k         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  264 – 270   268 4.  Simulation Results a nd Comparisions   Some MATLAB simulations  were done to eval uate  the prop sed  vector  co ntrol  strate gy   perfo rman ce.  The 3 - p h a s e IM is fe d b y  an ide a l 3-l e g voltage  source i n verte r . The  refe re nce   spe ed i s   give n by: (100,  1 00, 30 0, 30 0)rpm  at (0 , 0. 5, 0.5, 1 ) s,  resp ectively.  The  simul a te d 3- pha se ma chi ne paramete r s are give n a s  follows:\           The simul a tio n  results for the first test, whi c h co nsi s t s  in usin g the basic  DTC a p pro a ch  is sho w n in  Fi gure  3 (l eft). In the second  test, the prop ose d  DTC  ap proa ch  ba sed  on Fig u re  2 i s   use d  for  healt h y and faulty  3-ph ase IM. In both te sts, t he 3 - pha s e  m a chi ne  starte d in the  healt h con d ition an d  then at t=0.3 s  a ph ase cut - off fault is  occured. In Figu re 3(a), the to rque  wavefo rm  is p r e s ent ed.  Moreove r , Fi gure  3 ( b)  sho w s the  refe re nce  an d a c tu al value  of th e moto spe e d As  can  be  se en from Fi gure 3, i n  the  he althy  co nditio n , both  conve n tional  and  p r opo se d ve ct or  control  sch e m e show go od pe rform a n c e a nd fa st  resp on se  with out any tra n sient and  stea dy- state e r ror.  Compa r ed  to t he b a si DT C al gorith m the IM  spe e d  and  torque   of the  pro p o s ed   scheme  co ntains ve ry lo w speed  osil lations.  Ba se d on Fig u re  3(a ) , usin g  prop osed  DTC  scheme, the  electroma gne tic torqu e  wa veforms  co ntain  low osill ations ev en aft e r fault condit i on.  It is sho w n th at the p r op osed  DTC sch e m e for he althy and fa ulty 3-pha se  IM ve ctor  co ntrol  h a adeq uate vector cont rol ch ara c teri stics.     (a)                                                      (b)         Figure 3. Simulation re sult s of the com p aris on bet we en co nventio nal DT C (left) and pro p o s e d   DTC  (rig h t) fo r vector  cont rol of healthy and faulty 3-p hase IM; (a)  Torq ue, (b ) Speed       5. Conclu sion   In this p ape r,  two  cont rol  strategie s  fo ve ctrol  co ntro l of healthy  a n d faulty 3 - p hase IM  drive b a sed  on DTC  ha s been  di scussed  and  sim u la ted  (the f ault co ndition  in this pap e r  is  limited to ope n-ci rcuit fault). In the first schem e,  ba sic DTC  algo rith em is u s e d  for both  healt h and fa ulty 3-pha se IM.  Th simulatio n   results  of the basic  DTC  shown that, th e conventio n a DTC al go rith em is una ble  to control the faulty 3-pha se IM prope rly.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     DTC M e thod  for Vecto r  Co ntrol of 3-Pha s e Indu ction  Motor un der  Open -Pha se … (M. Jan nat i)  269 The  second  v e ctor co ntrol scheme (p ro posed  me th o d ) is  derive d  from the con v entional  DTC sch e me  by so me m odificatio n o n  it. The p r o posed m e tho d  pa rtially co mpen sated  the   ripple s  that  occur o n  th e spee d a n d  torque  respon ce s of  convention a DTC al gorith e m.  Analyzing th e  simul a tion re sults, it i s  po ssi ble to  im pl ement hig h  p e rform a n c e v a ctor control  of  AC 3-p h a s e IM drives  with a faulty 3-pha se IM.   Although thi s   method  ha s a  simpl e  impl e m entation  but  it has some  dra w ba cks   such  as  torque di sto r tions, lo w-spe ed ope ration  probl em s.       Referen ces   [1]    AB Jidi n, N RN  Idris, AHM Yati m, ME Elbu luk,  T   Sutikno. A  w i de-s pee hig h  torqu e  ca pa bil i t y   utiliz in g   overmo dul atio n strateg y   in D T C of inductio n  machi nes  w i t h  constant s w it chin g frequ enc y co ntroll er .   IEEE Transactions on Power  Electronics , 20 12; 27(5), 2 566 -257 5.  [2]    M Arkan, DK Perovic, P Uns w ort h Online stator faul t diagn osis in  inducti on  mo tors . In IEE  Procee din g s El ectric Po w e r A pplic atio ns. 20 01; 406- 41 8.  [3]    AM Da Si lva, R J  Povin e ll i, NA  Demerd ash. In duc tio n  mac h in e brok en  bar  a nd stator s hort- circuit fau l t   dia gnostics  ba sed o n  thr ee- phas e stator  current e n ve lo pes.  IEEE Transacti ons  on  Industri a l   Electron ics , 20 08; 55(3), 1 310 -131 8.  [4]    A Siddi qu e, GS Yadava, B S i ng h. A revie w   of st ator fault monitori ng tec hni ques  of ind u ction motors.   IEEE Transactions on Energy  Conv ersion , 20 05; 20(1), 1 06- 114.   [5]    Y Lei, Z  He, Y  Z i . Applic atio n of the EEM D metho d  to rotor fault diagnosis  of rotatin g  mach iner y.   Mecha n ica l  Systems a nd Sig nal Proc essin g , 2009; 23( 4), 1327- 133 8.   [6]    A Belli ni, A Ya zidi, F Filipp e tti, C Rossi, GA  Ca p o li no. Hi gh  frequenc y r e s o luti on tech niq ues for roto r   fault d e tectio n  of i nducti on   machi nes . IEE E  T r ansacti on s on  Ind u strial  Electro n ics , 2 008;  55( 12),   420 0-42 09.   [7]    M Haji, HA Toli yat.  Pattern  recogn ition- a  techniq ue for  inducti on ma chin es rotor fault detecti on"   eccentric i ty an d broke n  bar fa ult . In Industr y   Appl icatio ns C onfere n ce. 20 0 1 ; 1572- 15 78.   [8]    M Jannati, E F a lla h.  Mod e li ng  and Vector C o ntrol of Unb a l a nc ed i n d u ction  motors (fa u lty three p has e   or singl e ph a s e ind u ction  motors) . 1st. Confer ence o n  Po w e r Elec tronic & Drive  S y stems &   T e chnolog ies ( PEDST C). 2010; 208-2 11.   [9]    M Jann ati, NR N Idris, MJA A z iz. Spe ed S e n s orle ss F a ult T o ler ant Driv e S y stem  of 3-Ph a s e Ind u ctio n   Motor Usin S w itc h i ng E x t end ed K a lma n  F ilter.  T E LKOMNIKA Indo nesi an Jo urn a l  of Electrica l   Engi neer in g . 2014; 12( 11).   [10]    M Jannati, NR N Idris, MJA Aziz.  A new  method for RF OC of Inducti on M o tor und er ope n-ph ase fault In Industrial El ectronics Soc i e t y ,  IECON. 201 3; 2530- 25 35.   [11]    M Jann ati, NR N Idris, Z  Sal a m.  A New  Method f o r Mod e lin g a nd V e ctor   Co ntrol of  Unb a la nc e d   Inductio n  Moto rs . IEEE Energy  Co nvers i on  Con g ress an Ex p o siti on. 20 12; 362 5-3 632.   [12]    M Jann ati, A  Mona di, NR Idris, MJA Azi z AAM F audz i. Vector C ont rol of F a ult y  T h ree-P has e   Inductio n  Moto w i th a n  Ada p t i ve Sli d in g Mod e  Contro l.  Pr z  Elektrotech . 2 0 13; 89(1 2 ): 116 -120.   [13]    M Jann ati, SA  Anbar an, MI  Alsof y an i, NR N Idris, MJA  Aziz.  Mode lin g  and  RF OC of  faulty thre e- phas e IM usi n g Exten ded  K a l m a n  F ilter f o r rotor s pee d  esti matio n In  8th Inter natio nal P o w e r   Engi neer in g an d Optimizatio n  C onfer ence (P EOCO). 2014; 270- 275.   [14]    M Jann ati, A Mona di, NR N Idris, MJA Aziz.  Spee d Sens or less Vector C o ntrol of Un ba la nced T h ree- Phase In ductio n  Motor  w i th A daptiv e Slid in g Mode C ontrol.  Internatio na l Journ a l of Pow e r Electronic s   and Dr ive Systems (IJPEDS) .  2014; 4(3): 4 0 6 -41 8 [15]    M Jannati, NR N Idris, MJA Aziz . Indirect Ro tor F i eld-Orient ed Co ntro l of F ault-T o lerant D r ive S y ste m   for T h ree-Pha s e Inducti on  Motor  w i th R o tor Resista n c e  Estimatio n  Using EKF TEL K OMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2014; 1 2 (9).   [16]    M Jann ati, NR N Idris, MJA  Aziz.  Indirect F l ux-Ori ente d  Contro l of F a u l t y  Si ng le-Ph a s e Inducti o n   Motors.  T E LKOMNIKA Indon esia n Journ a l o f  Electrical Eng i ne erin g . 201 4; 12(10): 71 67- 717 5.  [17]    M Jann ati, SA Anbar an, NR N  Idris, MJA Aziz.  A Novel T e chni que for V e ct or Co ntrol of Si ngl e-Phas e   Inductio n  Mot o rs Bas ed  on  Rotor F i eld- Oriented  Co ntrol.  T E LKOMNIKA Indo nesi an J ourn a o f   Electrical E ngi neer ing . 2 014;  12(1 2 ).  [18]   M Jann ati, NR N Idris, MJA Aziz. A Simpl e  V e ctor Co ntrol  Method B a se on  F i e l d-Orie nted C ontrol fo r   F ault y  3-P has e Ind u ctio n M o tor u n d e r Op en-Circ u it F a ul t.  T E LKOMNIKA Indo nes ian  Jour nal  o f   Electrical E ngi neer ing . 2 014;  12(1 2 ).  [19]    M Jannati, NR N Idris, MJA Az iz. Speed S e n s orless F a u l t-T o ler ant Dr ive S y stem of 3-Ph a s e Inductio n   Motor Usin S w itc h i ng E x t end ed K a lma n  F ilter.  T E LKOMNIKA Indo nesi an Jo urn a l  of Electrica l   Engi neer in g . 2014; 12( 11).   [20]    M Jan nati, A  Mona di, SA A nbar an, N RN I d ris,  MJA Aziz . An E x act M o del  for R o tor F i eld-Ori ente d   Contro l of Si ngl e-Phas e In ductio n  Motor s T E LKOMNIKA Indon esi a n Jour nal  of Electrica l   Engi neer in g . 2014; 12( 7): 511 0-51 20.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  264 – 270   270 [21]    M Jan nati,  NR N Idris, MJA  A z iz, A Mo na di,  AAM  F audz i. A  Nov e l Sche me  for Re ducti on of  T o rqu e   and S p e ed R i ppl e in  Rotor  F i eld Orie nte d  Co ntro l of  Sing le Ph ase  Inductio n  Mot o r Base d o n   Rotational T r ansformations.  Rese arch Jour nal of App l i e d  Sciences, En gin eeri ng a nd  T e chno logy 201 4; 7(16): 34 05-3 409.   [22]    M Jannati, E F a lla h.  A New  Method for Sp eed Se nsor les s  Vector  Contr o l of Sing le-P h a se Inducti on   Motor Usin g Extende d Kal m a n  F ilter . Conf. Proc. Of  ICEE. 2011; 1-5.   [23]    M Jannati, SH  Asgari, NRN Id ris, MJA Aziz.  S pee d Sens orl e ss Direct Rot o r Field-Orie nted Co ntrol of   Sing le-Ph a se  Inductio n  Mot o r Usin g E x tend ed Ka lma n  F ilter.  Internatio nal J our n a l of Pow e r   Electron ics an d Drive Syste m s (IJPEDS) . 2014; 4(4).   [24]    M Jan nati, N R N  Idris, MJA A z iz.  A si mp le v e ctor co ntrol te chni que  for  3-p hase  in ducti on  motor  u n d e r   ope n-ph ase fa ult base d  on GA for  tuning of spee d PI controller . In 2014 IEEE Conference on Ener g y   Conv ersio n  (C ENCON). 201 4 ;  213-21 8.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.