본 논문에서는 철도차량 추진시스템을 위한 3-레그 인버터와 5-레그 인버터의 성능을 비교/분석하고 철도차량에 5-레그 인버터를 적용함에 있어 최적의 동작 조건을 제시한다. 5-레그 인버터는 두 대의 3-레그 인버터에 비해 2개의 스위치가 감소되며, 하나의 제어보드로 두 대의 3상 전동기를 독립적으로 제어할 수 있다. 이로 인해 두 대의 3-레그 인버터를 이용할 경우보다 시스템의 비용 감소와 소형화가 가능하다. 본 논문에서는 먼저 도시철도 차량에서 사용중인 유도전동기 제어 기법과 PWM 방법을 분석한다. 다음으로 5-레그 인버터의 기본 동작과 특징을 분석한다. 이러한 분석을 바탕으로 동일한 유도전동기 제어 기법과 PWM 방법을 3-레그 인버터와 5-레그 인버터에 적용했을 때 유도전동기의 속도와 토크 특성을 비교하고 분석한다.
Talib, Md. Hairul Nizam;Ibrahim, Zulkifilie;Rahim, Nasrudin Abd.;Hasim, Ahmad Shukri Abu
Journal of Power Electronics
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제13권5호
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pp.806-813
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2013
This paper aims to compare the performance of three phase induction motor drives using Five Leg Inverter (FLI) and Three Leg Inverter (TLI) configurations. An Indirect Field Oriented Control (IFOC) method using a TLI is well established and incorporated for high performance speed drives in various industries. The FLI dual motor drive system on the other hand shows good workability in the independent control of two induction motor drives simultaneously. In this experiment, the IFOC method is utilized for both drive systems, and Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) is used to generate pulses for both inverters. For the FLI, the Double Zero Sequence (DZS) Injection technique is used to generate the modulation signal. The complete experiment setup is done by using a DSpace 1103 controller board. The individual motor performances are analyzed using similar schemes, equipment setups and controller parameter values. The results show similar speed performance response capability between the single motor operation using a TLI system and the two motor operation using a FLI system based on the variable speed range either in forward or reverse operation. They also show similar load rejection abilities. However, the single motor with a TLI has a better power quality aspect such as ripple current and total harmonics distortion (THD).
Multiphase machines are characterized by high power density, enhanced fault-tolerant capacity, and low torque pulsation. For a voltage source inverter supplied multiphase machine, the probability of load imbalances becomes greater and unwanted low-order stator voltage harmonics occur. This paper deals with the PWM control of multiphase inverters under unbalanced load conditions and it proposes a novel near-five-vector SVPWM algorithm based on the five-phase six-leg inverter. The proposed algorithm can output symmetrical phase voltages under unbalanced load conditions, which is not possible for the conventional SVPWM algorithms based on the five-phase five-leg inverters. The cause of extra harmonics in the phase voltages is analyzed, and an xy coordinate system orthogonal to the ${\alpha}{\beta}z$ coordinate system is introduced to eliminate low-order harmonics in the output phase voltages. Moreover, the digital implementation of the near-five-vector SVPWM algorithm is discussed, and the optimal approach with reduced complexity and low execution time is elaborated. A comparison of the proposed algorithm and other existing PWM algorithms is provided, and the pros and cons of the proposed algorithm are concluded. Simulation and experimental results are also given. It is shown that the proposed algorithm works well under unbalanced load conditions. However, its maximum modulation index is reduced by 5.15% in the linear modulation region, and its algorithm complexity and memory requirement increase. The basic principle in this paper can be easily extended to other inverters with different phase numbers.
This paper proposes a cost-effective topology to drive a three-phase open-end load based on a five-leg indirect matrix converter (IMC) and a space vector modulation (SVM) method. By sharing an inverter leg with two load terminals, the proposed topology can reduce the number of power switches when compared to topologies based on a direct matrix converter or a six-leg IMC. The new SVM method uses only the active vectors that do not produce common-mode voltage (CMV), which results in zero CMV across the load phase and significantly reduces the peak value of the CMV at the load terminal. Furthermore, the proposed drive system can increase the voltage transfer ratio up to 1.5 and provide a superior performance in terms of an output line-to-line voltage with a three-level pulse-width modulation waveform. Simulation and experimental results are given to verify the effectiveness of the proposed topology and the new SVM method.
Talib, Md Hairul Nizam;Ibrahim, Zulkifilie;Rahim, Nasrudin Abd.;Abu Hasim, Ahmad Shukri
Journal of Power Electronics
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제14권1호
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pp.115-124
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2014
This paper presents the implementation of two-arm modulation (TAM) technique for the independent control of a two-induction motor drive fed by a five-leg inverter (FLI). A carrier-based space vector pulse width modulation technique for TAM is proposed to generate switching signals for FLI. Two independent three-phase space vector modulators are utilized to control two motors. The motor drive system applies two separate indirect field-oriented control methods. The stationary voltage outputs from the vector control are synthesized in the three-phase space vector modulator to generate switching signals for FLI. The performance of the independent control of the motors and the voltage utilization factor are likewise analyzed. Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method for the independent control of the two-motor drive system. The proposed technique is successfully validated by dSPACE DS1103 experimental work.
This paper proposes a novel scheme which can compensate the common-mode voltage (CMV) for five-level active neutralpoint clamped (5L-ANPC) inverters, which is based on modifying the space vector pulse width modulation (SVPWM) and adding an auxiliary leg to the inverter. For the modified SVPWM, only the 55 voltage vectors producing low CMV values among the 125 possible voltage vectors are utilized, which varies over the three voltage levels of $-V_{dc}/12$, 0 V, and $V_{dc}/12$. In addition, the compensating voltage, which is injected into the 5L-ANPC inverter system to cancel the remaining CVM through a common-mode transformer (CMT) is generated by the additional NPC leg. By the proposed method, the CMV of the inverter is fully eliminated, while the utilization of the DC-link voltage is not decreased at all. Furthermore, all of the DC-link and flying capacitor voltages of the inverter are well controlled. Simulation and experimental results have verified the validity of the proposed scheme.
A simplified model predictive control method is presented in this paper. This method is based on a future reference voltage vector for a three-phase four-leg voltage source inverter (VSI). Compared with the three-leg VSIs, the four-leg VSI increases the possible switching states from 8 to 16 owing to a fourth leg. Among the possible states, this should be considered in the model predictive control method for selecting an optimal state. The increased number of candidate switching states and the corresponding voltage vectors increase the calculation burden. The proposed technique can preselect 5 among the 16 possible voltage vectors produced by the three-phase four-leg voltage source inverters, based on the position of the future reference voltage vector. The discrete-time model of the future reference voltage vector is built to predict the future movement of the load currents, and its position is used to choose five preselected vectors at every sampling period. As a result, the proposed method can reduce calculation load by decreasing the candidate voltage vectors used in the cost function for the four-leg VSIs, while exhibiting the same performance as the conventional method. The effectiveness of the proposed method is demonstrated with simulation and experiment results.
본 논문에서는 5-레그 인버터(Five-leg Inverter)를 이용하여 2대의 유도전동기를 구동하는 시스템의 모델 예측 제어 기법을 제안한다. 기존 모델 예측 제어 기법인 FS-MPC(Full-Set MPC)는 5-레그 인버터에서 가능한 32가지의 모든 스위칭 상태를 고려하기 때문에 제어 성능은 뛰어나지만 계산량이 많아지는 단점이 있다. 본 논문에서는 FS-MPC보다 제어 성능의 저하를 최소화하고 계산량은 현저히 감소시킨 모델 예측 제어 기법을 제안하며 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법의 성능 및 타당성 검증을 검증한다.
Finite-control-set model predictive control (FCS-MPC) is a promising control scheme for two-level voltage-source inverters (TL-VSIs). However, two main issues arise in the classical FCS-MPC method: an exponentially-increasing computational time and a low steady-state performance. To solve these two issues, a novel FCS-MPC method has been proposed for n-phase TL-VSIs in this paper. The basic idea of the proposed method is to carry out the FCS-MPC scheme of TL-VSIs for one leg by one leg, like a "pipeline". Based on this idea, the calculations are reduced from exponential time to linear time and its current waveforms are improved by applying more switching states per sampling period. The cases of three-phase and five-phase TL-VSIs were tested to verify the effectiveness of proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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