Space-Vector PWM Inverter Feeding a Small IM

8/14/2019 Space-Vector PWM Inverter Feeding a Small IM

1/4

P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n M e c h a t r o n i c sKumamoto J a p a n , 8 - 1 0 May 2 0 0 7

S p a c e - V e c t o r PWM I n v e r t e r F e e d i n g a S m a l lI n d u c t i o n M o t o rA . Maamoun, A . M. S o l i m a nE l e c t r o n i c s R e s e a r c h I n s t i t u t eE l - T a h r i r S t r e e t , D o k k i , C a i r oEGYPTP o s t a l C o d e : 1 2 6 2 2 , F a x : 2 0 2- 3 3 5 1 6 3 1

m a a m o u n ( i e r i . s c i . e g

A b s t r a c t -Th e paper p r e s e n t s a s p a c e - v e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n (SVPWM) i n v e r t e r f e e d i n g a s m a l l t h r e e - p h a s ei n d u c t i o n m o t o r . T h e SVPWM i n v e r t e r e n a b l e s t o f e e d t h emotor w i t h a h i g h e r v o l t a g e w i t h l o w h a r m o n i c d i s t o r t i o n s t h a nt h e c o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a l PWM i n v e r t e r . Th ev o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o l m e t h o d i s u s e d f o r op e n l o o p s p e e dc o n t r o l o f i n d u c t i o n motor w i t h a r e a s o n a b l e d e g r e e o faccuracy. Th e p e r f o r m a n c e o f t h e p r o p o s e d d r i v e s y s t e m i ss i m u l a t e d . Th e a d v a n t a g e s o f t h e p r o p o s e d d r i v e s y s t e m a r ec o n f i r m e d b y t h e s i m u l at i o n r e s u l t s .

Vdc

A . M. K h e i r e l d i nF a c u l t y o f E n g i n e e r i n gA i n S h a m s U n i v e r s i t yC a i r oEGYPT

I INTRODUCTIONT h e s p a c e - v e c t o r p u l s e w i dt h m o d u l a t io n ( S V P W M I ) t e c h n i q u eh a s b e c o m e a p o p u l a r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n t e c h n i q u e f o rt h r e e - p h a s e v o l t a g e - s o u r c e i n v e r t e r s i n t h e c o n t r o l o f AC m o t o r s[ 1 - 6 ] . T h e SVPWMI v o l t a g e - s o u r c e i n v e r t e r s f o r v a r i a b l ev o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c y ( V V V F ) d r i v e s o f s m a l l i n d u c t i o nm o t o r s are w i d e l y u s e d b o t h i n i n d u s t r i a l a n d h o u s e h o l da p p l i c a t i o n s [ 7 , 8 ] . T h e SVPWMI i n v e r t e r i s u s e d t o o f f e r 15%i n c r e a s e i n t h e d c - l i n k v o l t a g e u t i l i z a t i o n a n d l o w o u t p u th a r m o n i c d i s t o r t i o n s c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a lPWM i n v e r t e r . T h e c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e i n v e r t e r i s t h ev o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o l m e t h o d , w h i c h i s b a s e d o n t h e s p a c e -v e c t o r m o d u l a t i o n t e c h n i q u e .T h e paper p r e s e n t s a SVPWM i n v e r t e r f e e d i n g a s m a l l t h r e e -p h a s e i n d u c t i o n m o t o r . T h e v o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o l i s u s e df o r open l o o p s p e e d c o n t r o l o f i n d u c t i o n m o t o r w i t h ar e a s o n a b l e d e g r e e o f accuracy.II SPACE-VECTOR MODULATION TECHNIQUEA d i a g r a m o f t h e power c i r c u i t o f a t h r e e - p h a s e v o l t a g esourc e i n v e r t e r ( V S I ) i s s h o w n i n F i g . 1 , w h e r e V a , V b , a n dV c are t h e o u t p u t v o l t a g e s a p p l i e d t o t h e s t a r - c o n n e c t e dm o t o r w i n d i n g s , a n d w h e r e V d c i s t h e c o n t i n u o u s i n v e r t e ri n p u t v o l t a g e . Q i t h r o u g h Q 6 are t h e s i x power t r a n s i s t o r st h o s e s h a p e t h e o u t p u t , w h i c h are c o n t r o l l e d b y a , a \ , b , b \ , c ,a n d c . W hen a n upper t r a n s i s t o r i s s w i t c h e d o n ( w h e n a , b ,or c i s 1 ) , t h e c o r r e s p o n d i n g l o w e r t r a n s i s t o r i s s w i t c h e d o f f( t h e c o r r e s p o n d i n g a , b \ , or c \ i s 0 ) . T h e r e are e i g h t d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s o f s w i t c h i n g s t a t e s as f o l l o w s ( 0 0 0 ) , ( 1 0 0 ) ,( 1 1 0 ) , ( 0 1 0 ) , ( 0 1 1 ) , ( 0 0 1 ) , ( 1 0 1 ) , a n d ( 1 1 1 ) . T h e f i r s t a n d l a s ts t a t e s d o n o t cause a c u r r e n t t o f l o w t o t h e m o t o r , a n d h e n c e ,t h e l i n e - t o - l i n e v o l t a g e s a re z er o. T h e o t h e r s i x s t a t e sca n p r o d u c e v o l t a g e s t o b e a p p l i e d t o t h e motor t e r m i n a l s .

m o t o r p h h a s e sF i g u r e 1T h r e e - p h a s e v o l t a g e source i n v e r t e r d i a g r a m

I f t h e i n v e r t e r o p e r a t i o n s t a r t s b y s t a t e ( 1 0 0 ) t o b e s t a t e1 , i t i s p o s s i b l e t o compute t h e v o l t a g e space v e c t o r s f o ra l l i n v e r t e r s t a t e s w h i c h a r e s h o w n i n t h e c o m p l e x space-v e c t o r p l a n e i n F i g . 2 . Th e s i x a c t i v e v o l t a g e spacev e c t o r s ar e o f e q u a l m a g n i t u d e a n d m u t u a l l y p h a s ed i s p l a c e d b y 6 0 0 . Th e g e ne r al e x p r e ss i on f o r t h e e i g h tv o l t a g e v e c t o r s i s [ 5 ] :

2 V d c exp K j k ) where k = 1 , 6 1 > 6V s , k w = 1 3 d c i 3 10 w h e r e k= 0 , 7( 1 )

T h e maximum f u n d a m e n t a l p h a s e v o l t a g e m a g n i t u d e t h a tmay b e p r o d u c e d b y t h e i n v e r t e r f o r a g i v e n d c l i n k v o l t a g eoccurs u n d e r s i x - s t e p o p e r a t i o n , a n d i s g i v e n b y :

2V I , six -s tep =-Vdc ( 2 )On t h e o t h e r h a n d , t h e m axim u m a c h i e v a b l e f u n d a m e n t a lp h a s e v o l t a g e m a g n i t u d e f o r c o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a lm o d u l a t i o n i s [ 6 ] :

Isin - p w m 2 ( 3 )From e q u a t i o n s ( 2 ) a n d ( 3 ) , o n l y 7 8 . 5 % o f t h e i n v e r t e rc a p a c i t y i s u s e d .

1 - 4 2 4 4 - 1 1 8 4 - X / 0 7 / $ 2 5 . 0 0 2 0 0 7 IEEE

T u A l - C - 3

1


2/4

01 S \ t o r S e c t o r 1 V ReS e c t o r 4 S e c t o r 6 S A x

\ 9S e c t o r( 0 0 1 ) \ \A 1 oVF i g u r e 2V o l t a g e s p a c e v e c t o r s f o r a t h r e e - p h a s e v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r

T h e r e f e r e n c e v o l t a g e s p a c e v e c t o r i s g i v e n b y :V s =v e x p (jm t )

.S n i v v X g x

M 2 c e x p j c m t )

F i g u r e 3S y n t h e s i s o f d e s i r e d v o l t a g e s p a c e v e c t o r u s i n g r e a l i z a b l e v o l t a g e v e c t o r s

n o t p r o d u c e t h e d e si r ed v o l ta g e d i r e c t l y . I t i s p o s s i b l e t od e c o m p o s e i t i n t o t w o v e c t o r s , V x a n d V , t h a t l i e o n t h et w o a c t i v e i n v e r t e r v e c t o r s o n e i t h e r s i d e o f t h e r e f e r e n c ev e c t o r . T h e r e f o r e , i n s p a c e - v e c t o r n o t a t i o n :( 4 )

T h e m o d u l a t i o n i n d e x M s d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h e d e s i r e dp e a k f u n d a m e n t a l p h a s e v o l t a g e m a g n i t u d e t o h a l f t h e d c l i n kv o l t a g e ( m a x i m u m a c h i e v a b l e f u n d a m e n t a l p h a s e v o l t a g em a g n i t u d e f o r c o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a l PWM).M V 1( V d c I 2 )

T h e l a r g e s t p o s s i b l e p h a s e v o l t a g e m a g n i t u d e t h a t may b ea c h i e v e d u s i n g t h e s p a c e - v e c t o r m o d u l a t i o n s t r a t e g yc o r r e s p o n d s t o t h e r a d i u s o f t h e l a r g e s t c i r c l e t h a t c a n b ei n s c r i b e d w i t h i n t h e h e x a g o n o f F i g . 2 . T h u s , t h e maximumf u n d a m e n t a l p h a s e v o l t a g e m a g n i t u d e t h a t may b e a c h i e v e di s :V i s v p w m X d ( 6 )

w h i c h c o r r e s p o n d s t o a maximum m o d u l a t i o n i n d e xM m a x 1 . 1 5 . F r o m e q u a t i o n s ( 2 ) a n d ( 6 ) , a b o u t 9 0 . 6 % o f t h ei n v e r t e r c a p a c i t y i s u s e d . T h i s r e p r e s e n t s 1 5% i n c r e a s e i nmaximum v o l t a g e c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a ls i n u s o i d a l m o d u l a t i o n .T h e d e s i r e d v o l t a g e s p a c e v e c t o r a t a n y p a r t i c u l a r i n s t a n tmay b e w r i t t e n i n C a r t e s i a n c o - o r d i n a t e s a s :

F s =V s a + j ( 7 )C o n s i d e r t h e e x a m p l e d e p i c t e d i n F i g . 3 , i n w h i c h t h e d e s i r e dv o l t a g e i s f o u n d t o l i e i n S e c t o r 1 . A l t h o u g h , t h e i n v e r t e r c a n

Vs = v x + vy ( 8 )w h e r e t h e v e c t o r s , V . a n d V , a r e o b t a i n e d b y o p e r a t i n g a tt h e r e l e v a n t i n v e r t e r s t a t e s , V s l a n d V s 2 , f o r s u i t a b l ep o r t i o n s o f t h e s w i t c h i n g p e r i o d , T , . I n g e n e r a l , w h e n( 5 ) o p e r a t i n g i n s e c t o r m , t h e r e f e r e n c e v e c t o r may b ed e c o m p o s e d a c c o r d i n g t o [ 5 ] :

( 9 )V s V s , m + V s , m + lTs T s

w h e r e T m a n d T m + i a r e t h e t i m e s s p e n t a t a d j a c e n ta c t i v e i n v e r t e r s t a t e s , V s , m a n d V s , m + l . T h e r e m a i n d e ro f t h e s w i t c h i n g c y c l e i s s u b d i v i d e d b e t w e e n t h e z e r os t a t e s :

T z e r o = T o + T 7 = T s - T m - T m + i ( 1 0 )H a v i n g c o m p u t e d t h e a c t i v e a n d z e r o s t a t e t i m e s f o r ap a r t i c u l a r m o d u l a t i o n c y c l e , i t i s p o s s i b l e t o p r o d u c e t h es w i t c h i n g s i g n a l s , PWMa, PWMb, a n d PWMc t o b e a p p l i e dt o t h e i n v e r t e r . T h e t o t a l z e r o t i m e i s m o s t o f t e n d i v i d e de q u a l l y b e t w e e n t h e t w o z e r o s t a t e s . I t i s p o s s i b l e t o s a t i s f yt h e a b o v e r e s t r i c t i o n s b y t h e u s e o f s y m m e t r i c a l p u l s e s a ss h o w n i n F i g . 4 . T h e c y c l e b e g i n s i n s t a t e 0 , ( 0 0 0 ) , w i t h e a c hi n v e r t e r p o l e b e i n g s u c c e s s i v e l y t o g g l e d u n t i l s t a t e 7 , ( 1 1 1 ) ,i s o b t a i n e d . T h e p a t t e r n i s t h e m r e v e r s e d i n o r d e r t o c o m p l e t et h e m o d u l a t i o n c y c l e .

2


3/4

. TtI PWMA

S e c( a )

V200F i g u r e 4I n v e r t e r s w i t c h i n g s i g n a l s f o r SVM i n S e c t o r 1

12 0I I I SVPWM INVERTER FEEDING AN INDUCTIONMOTOR

T h e s p a c e - v e c t o r PWM t e c h n i q u e i s u s e d t o p r o d u c e t h es w i t c h i n g c o n t r o l s i g n a l s t o b e a p p l i e d t o t h e t h r e e - p h a s ei n v e r t e r c i r c u i t g i v e n i n F i g . 1 . T h e SVPWM i n v e r t e r i s u s e dt o o f f e r 15 % i n c r e a s e i n t h e e d c l i n k v o l t a g e u t i l i z a t i o n a n dl o w o u t p u t h a r m o n i c d i s t o r t i o n s c o m p a r e d w i t h t h ec o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a l PWM i n v e r t e r . T h e c o n t r o l s t r a t e g yo f t h e SVPWM i n v e r t e r i s t h e v o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o lm e t h o d , w h i c h b a s e d o n t h e s p a c e - v e c t o r m o d u l a t i o nt e c h n i q u e . F o r c o n s t a n t t o r q u e o u t p u t , t h e a i r ga p f l u x i n t h em o t o r i s m a i n t a i n e d c o n s t a n t b y o p e r a t i n g o n a c o n s t a n tv o l t a g e / f r e q u e n c y s u p p l y . H o w e v e r , t h e a n a l y s i s a b o v ea s s u m e s n e g l i g i b l e w i n d i n g r e s i s t a n c e , w h e r e a s , i n p r a c t i c e ,a t l o w f r e q u e n c i e s t h e r e s i s t i v e v o l t a g e d r o p b e c o m e ss i g n i f i c a n t c o m p a r e d w i t h t h e i n d u c e d v o l t a g e . T h i s v o l t a g ed r o p cause s a r e d u c t i o n i n t h e a i r ga p f l u x a n d m o t o r t o r q u e .I n o r d e r t o m a i n t a i n t h e l o w - s p e e d t o r q u e , t h ev o l t a g e / f r e q u e n c y r a t i o must b e i n c r e a s e d a t l o w f r e q u e n c i e s .T h e v o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o l m e t h o d i s u s e d f o r ope n l o o ps p e e d c o n t r o l o f i n d u c t i o n m o t o r w i t h a r e a s o n a b l e d e g r e e o faccuracy.

I 1S o 0 0 0 1 0 0 00 iS 0 00 20 0 00 Hz

( b )F i g u r e 5L i n e v o l t a g e o f t h e m o t o r a t f L = 2 5 Hz a n d M = 0 . 8 5( a ) v o l t a g e w a v e f o r m( b ) v o l t a g e s p e c t r u m ( r m s )

A2

1

.2

0 9 2 0 9 3 0 3 4 0 9 5 0 9 6( a ) 0 . 9 7 0 . 3 8 0 . 9 9 S e c

AIV SIMULATION RESULTS

T h e SVPWM i n v e r t e r w h i c h f e e d i n g a s m a l l t h r e e - p h a s ei n d u c t i o n m o t o r i s s i m u l a t e d u s i n g t h e M a t l a b s o f t w a r ep a c k a g e . T h e s i m u l a t i o n i s p e r f o r m e d u n d e r t h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n s : V d , = 3 6 6 V , s w i t c h i n g f r e q u e n c y = 5 k H z , a n dt h r e e - p h a s e i n d u c t i o n m o t o r ( 3 7 0 W , 3 8 0 V , 0 . 9 4 A , 5 0 H z ,2 7 5 0 rpm, R , = 3 5 Q , R , = 1 9 Q , L S = 1 . 3 9 6 H , L r = 1 . 3 9 6 H ,L m = 1 . 3 6 5 H , J = 0 . 0 0 3 k g . m 2 , a n d P = 1 ) . F i g . 5 s h o w s t h e m o t o rl i n e v o l t a g e a t i n v e r t e r f r e q u e n c y f 0 = 2 5 Hz a n d m o d u l a t i o ni n d e x M= 0 . 8 5 . A l s o , t h e m o t o r c u r r e n t a t d i f f e r e n t l o a d i n gc o n d i t i o n s i s s h o w n i n F i g u r e s 6 a n d 7 . T h e m o t o r c u r r e n th a s l o w h a r m o n i c d i s t o r t i o n .

lS000 20000 HzS O O O 0 1 0 0 b0 0( b )F i g u r e 6C u r r e n t o f t h e m o t o r a t f L = 2 5 H z , M = 0 . 8 5 , a n d T 1 = 0 . 7 Nm( a ) c u r r e n t w a v e f o r m( b ) c u r r e n t s p e c t r u m ( r m s )

3

1-

1 -

1 -

V

, , | , l~ ~ ~~ ~~~~~~ ~~~ ~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

..

I I

a8 0

...

. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .

0 .2-


4/4

0 . 9 2 0 . 9 3 0 . 9 4 0 . 9 5 0 . 9 1 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 9 S e c( a )

V C O N C L U S I O NI n t h i s p a p e r , a d r i v e s y s t e m c o n s i s t s o f SVPWM i n v e r t e ra n d a s m a l l t h r e e - p h a s e i n d u c t i o n m o t o r h a s b e e n i n t r o d u c e d .T h e SVPWM i n v e r t e r i s u s e d t o o f f e r 15% i n c r e a s e i n t h eo u t p u t v o l t a g e a n d l o w o u t p u t h a r m o n i c d i s t o r t i o n sc o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l s i n u s o i d a l PWM i n v e r t e r .T h e v o l t a g e / f r e q u e n c y c o n t r o l i s u s e d f o r o p e n l o o p s p e e dc o n t r o l o f i n d u c t i o n m o t o r w i t h a r e a s o n a b l e d e g r e e o fa c c u r a c y . T h e a d v a n t a g e s o f t h e p r o p o s e d d r i v e s y s t e m a r ec o n f i r m e d b y t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s .

REFERENCESA1 . 0

P s o o o( b )

F i gu r e 7C u r r e n t o f t h e m o t o r a t f L = 2 5 H z , M = 0 . 8 5 , a n d T l = l( a ) c u r r e n t w a v e f o r m( b ) c u r r e n t s p e c t r u m ( r m s )

[ 1 ] H . W. v a n d e r b r o e c k , H . C . S k u d e ln y , " A n al y s i s a n d r e a l i z a t i o n o f ap u l s e w i dt h m o du l a t o r b a s e d o n v o l t a g e space v e c t o r s , " IEEE T r a n s .I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , V o l . 2 4 , pp. 1 4 2- 1 5 0 , J a n u a r y / F e b r u a r y 1 9 8 8 .[ 2 ] S . R . B o w s , Y . S . L a i , " T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s p a c e - v e c t o rm o d u l a t i o n a n d r e g u l a r - s a m p l e d PWM," IEEE T r a n s . I n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s , V o l . 4 4 , pp. 6 7 0 - 6 7 9 , O c t o b e r 1 9 9 7 .[ 3 ] Y . T z o u , H . H s u , "FPGA r e a l i z a t i o n o f s p a c e - v e c t o r PWM c o n t r o l I Cf o r t h r e e - p h a s e PWM i n v e r t e r , " IEEE T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , V o l .1 2 , pp. 9 5 3 - 9 6 3 , N o v e m b e r 1 9 9 7 .[ 4 ] F . Z a r e , G . L e dw i c h , " S p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n t e c hn i q u e w i t hr e d u c e d s w i t c h i n g l o s s e s , " P r o c . I n t . E u r o p e a n C o n f . : P o w e rE l e c t r o n i c s and A p p l i c a t i o n s ( E P E ' 9 9 ) , S w i t z e r l a n d , p p . 1 - 7 ,S e p t e m b e r 1 9 9 9 .[ 5 ] A n a l o g D e v i c e s , " S p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n , " T e c h n i c a l R e p o r t ,S e p t e m b e r 1 9 8 8 .[ 6 ] T e x a s I n s t r u m e n t s , " F i e l d o r i e n t a t e d c o n t r o l o f t h r e e - p h a s e ACm o t or s , " A p p l ic a ti o n R e p or t , F e b r u a r y 1 9 9 8 .

20000 Hz [ 7 ] M. M o r i m o t o , K . S u m i t o , S . S a t o , K . O s h i t a n i , M. I s h i d a , S . O k u m a ," H i g h e f f i c i e n c y , u n i t y power f a c t o r VVVF d r i v e s y s t e m o f a ni n d u c t i o n m o t o r , " IEEE T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , V o l . 6 , p p . 4 9 8 -5 0 3 , J u l y 1 9 9 1 .[ 8 ] A . M a a m o u n , A . M. S o l i m a n , A . M . K h e i r e l d i n , " N e a r u n i t y power.18Nm f a c t o r s i n g l e - p h a s e t o t h r e e - p h a s e c o n v e r t e r f e e d i n g an i n d u c t i o n

m o t o r , " P r o c . IASTED I n t . C o n f : A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e andA p p l i c a t i o n s , I n n s b r u c k , A u s t r i a , pp. 1 3 1 - 1 3 5 , F e b r u a r y 2 0 0 6 .

4

v

1- 1

-2. . . . . .

:- .

l . l

i ,

. . j

Documents

Space-Vector PWM Inverter Feeding a Small IM