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8/2/2019 01619936

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Modelling & Simulation of a new Single-phase to Single-phaseCycloconverter based on Single-phase Matrix Converter Topology with

Sinusoidal Pulse Width Modulation Using MATLAB/Simulink学术搜索

Single-phase Cycloconverters are used for AC-AC power conversion particular for speed control of AC drives. In this

work the Single-phase matrix converter (SPMC) topology is used for cycloconverter operation are proposed. IGBTs are

used for the power switches. The well-known sinusoidal pulse width modulation (SPWM) scheme is used in thisinstance. This paper presents work on modelling and simulation of cycloconverter using MATLAB/Simulink incorporating

the SimPowerSystem blockset. Simulations are compared with the well-known Pspice simulations to ascertain the

accuracy of modelling. Experimental verifications were also carried out to validate the simulation model and the

converter.Idris, Z.; Hamzah, M.K.; Hamzah, N.R.Power Electronics and Drives Systems, 2005. PEDS 2005.

International Conference on1557-156228-01 Nov. 2005学术搜索

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I E E E PEDS 2 0 0 5

M o d e l l i n g & S i m u l a t i o n o f a new S i n g l e - p h a s e t oS i n g l e - p h a s e C y c l o c o n v e r t e r b a s e d o n S i n g l e - p h a s eM a t n x C o n v e r t e r T o p o l o g y w i t h S i n u s o i d a l P u l s e

W i d t h M o d u l a t i o n U s i n g M A T L A B / S i m u l i n kZ a h i r r u d i n I d r i s M u s t a f a r K a m a l H a m z a h N g a h R a m z i Hamzah

F a c u l t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , F a c u l t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , F a c u l t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t i T e k n o l o g i MARA, U n i v e r s i t i T e k n o l o g i MARA, U n i v e r s i t i T e k n o l o g i MARA,4 0 4 5 0 , S h a h A l a m , M a l a y s i a 4 0 4 5 0 , S h a h A l a m , M a l a y s i a 4 0 4 5 0 , S h a h A l a m , M a l a y s i a

d y e a n 7 8 @ y a h o o . c o m m u s t a f a r @ s a l a m . u i t m . e d u . m y n g a h r a m z i @ s a l a m . u i t m . e d u . m y

A b s t r a c t - S i n g l e - p h a s e C y c l o c o n v e r t e r s a r e u s e d f o r AC-AC T h e m a t r i x c o n v e r t e r (MC) o f f e r s p o s s i b l e " a l l s i l i c o n "p o w e r c o n v e r s i o n p a r t i c u l a r f o r s p e e d c o n t r o l o f AC d r i v e s . I n s o l u t i o n f o r AC-AC c o n v e r s i o n r e m o v i n g t h e n e e d f o rt h i s w o r k t h e S i n g l e - p h a s e m a t r i x c o n v e r t e r (SPMC) t o p o l o g y i s r e a c t i v e n r g s A g e c o m p o n e u e d o i n g c n v e n i o nu s e d f o r c y c l o c o n v e r t e r o p e r a t i o n a r e p r o p o s e d . I G B T s a r e u s e df o r t h e p o w e r s w i t c h e s . T h e w e l l - k n o w n s i n u s o i d a l p u l s e w i d t h r e c t i f i e r - i n v e r t e r b a s e d s y s t e m [ 1 0 ] . G y u g y i [ 3 ] f i r s t d e s c r i b e dm o d u l a t i o n (SPWM) s c h e m e i s u s e d i n t h i s i n s t a n c e . T h i s p a p e r t h e t o p o l o g y i n 1 9 7 6 . O b v i o u s l y a l l p u b l i s h e d s t u d i e s d e a l tp r e s e n t s w o r k o n m o d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n o f c y c l o c o n v e r t e r w i t h m a i n l y t h e t h r e e - p h a s e c i r c u i t t o p o l o g i e s [ 1 1 - 1 3 ] . T h eu s i n g M A T L A B / S i m u l i n k i n c o r p o r a t i n g t h e S i m P o w e r S y s t e m S i n g l e - p h a s e m a t r i x c o n v e r t e r v a r i a n t o n t h e s a m e p h i l o s o p h yb l o c k s e t . S i m u l a t i o n s a r e c o m p a r e d w i t h t h e w e l l - k n o w n P s p i c es i m u l a t i o n s t o a s c e r t a i n t h e a c c u r a c y o f m o d e l l i n g . E x p e r i m e n t a l d e n o t e d a s S P M C w a sf i t r s t r e a l i s e d b y Z u c k e r b e r g e r [ 1 4 ] .v e r i f i c a t i o n s w e r e a l s o c a r r i e d o u t t o v a l i d a t e t h e s i m u l a t i o n O t h e r w o r ks , s u c h a s t h o s e o f H o s s i e n i [ 1 5 ] a n d S a i f u l [ 1 6 ]m o d e l a n d t h e c o n v e r t e r . d o e s n o t i n c l u d e e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n . P r e v i o u s w o r k s o n

K e y w o r d s - P o w e r E l e c t r o n i c s , S i n g l e - P h a s e M a t r i x C o n v e r t e r S P M C h a d f o c u s s e d on s t e p - u p f r e q u e n c y o p e r a t i o n w i t h no

( S P M C ) , C y c l o c o n v e r t e r , S i n u s o i d a l P u l s e W i d t h M o d u l a t i o n r e p o r t e d w o r k o n s t e p - d o w n f r e q u e n c y o p e r a t i o n .( S P W M ) , MATLab S i m u l a t i o n & C o m p u t e r M o d e l l i n g

I n t h i s w o r k , i t p r o p o s e d t h a t t h e S P M C a s u s e d b y S a i f u lI . I N T R O D U C T I O N i s i n v e s t i g a t e d f o r u s e i n s t e p - d o w n f r e q u e n c y o p e r a t i o n o f

I n a c y c l o c o n v e r t e r , t h e a c p o w e r a t o n e f r e q u e n c y i s w h i c h t h i s p a p e r w i l l d e s c r i b e i n p a r t . T h e d e v e l o p m e n t o f ac o n v e r t e d d i r e c t l y t o a n o t h e r f r e q u e n c y g e n e r a l l y l o w e r t h a n c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l o n S P M C f o r c y c l o c o n v e r t e rt h e i n p u t s u p p l y f r e q u e n c y w i t h o u t a n y i n t e r m e d i a t e d c s t a g e . o p e r a t i o n u s i n g M A T L A B / S i m u l i n k ( M L S ) s o f t w a r e p a c k a g e

I n t h e 1 9 7 0 ' s , v a r i o u s a s p e c t s o f t h e c y c l o c o n v e r t e r t h e o r y a n d w i l l b e d i s c u s s e d . C o m p a r i s o n s a r e i n i t i a l l y m a d e w i t h t h ep r a c t i c e w e r e d i s c u s s e d [ 1 - 3 ] . I n t h e l a t e 1 9 8 0 ' s ( 1 9 8 6 ) w e l l - kn o w n a n d w i d e l y u s e d P s p i c e t o a s c e r t a i n t h e v a l i d i t y o f

i m p l e m e n t a t i o n s o n c y c l o c o n v e r t e r , e x p e r i e n c e d g r o w t h i n t h e m o d e l . T h i s i s t h e n f o l l o w e d b y s i m p l e e x p e r i m e n t a lu s a g e d u e t o t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o p r o c e s s o r b a s e d c o n t r o l v e r i f i c a t i o n o n a t e s t - r i g d e v e l o p e d a n d c o n s t r u c t e d i n t h es y s t e m s [ 4 - 6 ] . T h y r i s t o r c o n t r o l l e d c y c l o c o n v e r t e r t o d a y , h a s l a b o r a t o r y . A m o n g s t t h e m a j o r d i f f e r e n c e t o c o n v e n t i o n a l

f o u n d i t s way i n h i g h e r p o w e r a p p l i c a t i o n s s u c h a s i n e l e c t r i c c y c l o - c o n v e r t e r t o p o l o g y , w h i c h m a i n l y u s e d t h y r i s t o r s , t h et r a c t i o n , r o l l i n g m i l l s , v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d c o n t r o l f o r AC S P M C r e q u i r e s t h e u s e o f IGBT i n i t s p o w e r s w i t c h e s . I n t h i sm a c h i n e s , c o n s t a n t f r e q u e n c y p o w e r s u p p l y a n d c o n t r o l l a b l e w o r k , i m p l e m e n t a t i o n i s s i m p l i f i e d b y t h e u s e o f t h e w e l l -r e a c t i v e p o w e r s u p p l y f o r a n AC s y s t e m . k n o w n SPWM t e c h n i q u e w i t h r e s i s t i v e l o a d . S a m p l e

s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n t h i s

A m o n g s t p r e v i o u s d e v e l o p m e n t o f t h e c y c l o c o n v e r t e r p a p e r . F u r t h e r s i m u l a t i o n s w e r e a l s o c a r r i e d o u t w i t h s i m p l ei n c l u d e s ; w o r k o n i m p r o v e m e n t s o f h a r m o n i c s p e c t r u m i n t h e RL l o a d , w i t h a b r i e f d e s c r i p t i o n o f p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i no u t p u t v o l t a g e w i t h new c o n t r o l s t r a t e g i e s [ 7 ] , new t o p o l o g y t h e a b s e n c e o f s u i t a b l e c o m m u t a t i o n s t r a t e g i e s t h a t r e s u l t w i t h

[ 8 ] a n d s t u d y o f t h e c y c l o c o n v e r t e r b e h a v i o u r [ 9 ] . v o l t a g e s p i k e s t h a t n e e d s t o b e a v o i d e d . F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n sa r e r e q u i r e d i n a n e f f o r t t o s o l v e t h e p r o b l e m s , a commonp h e n o m e n o n i n m a t r i x c o n v e r t e r t o p o l o g i e s .

0 - 7 8 0 3 - 9 2 9 6 - 5 / 0 5 / $ 2 0 . 0 0 © 2 0 0 5 I E E E 1 5 5 7

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I I . THE C Y C L O C O N V E R T E R I V . S I N U S O I D A L P U L S E WIDTH MODULATION

C y c l o c o n v e r t e r a r e a h i s t o r i c a l c l a s s o f p o w e r c o n v e r t e r s T h e S i n u s o i d a l P u l s e W i d t h M o d u l a t i o n (SPWM) i s a w e l l

b a s e d o n S C R s . T h e y a r e u s e d t o g e n e r a t e AC o u t p u t ( s i n g l e - k n o w n w a v e s h a p i n g t e c h n i q u e i n p o w e r e l e c t r o n i c s a sp h a s e o r t h r e e - p h a s e ) f r o m a s i n g l e - p h a s e o r t h r e e - p h a s e i n p u t i l l u s t r a t e d i n F i g . 5 . F o r r e a l i s a t i o n , a h i g h f r e q u e n c y

[ 1 7 ] . A t y p i c a l c y c l o c o n v e r t e r c o n s i s t s o f o n e o r m o r e p a i r s o f t r i a n g u l a r c a r r i e r s i g n a l , V c , i s c o m p a r e d w i t h a s i n u s o i d a lb a c k - t o - b a c k c o n n e c t e d c o n t r o l l e d r e c t i f i e r s a s s h o w n i n F i g . r e f e r e n c e s i g n a l , V r e f , o f t h e d e s i r e d f r e q u e n c y . T h e c r o s s o v e r

1 . D e t a i l e d t r e a t m e n t o n t h e o p e r a t i o n o f c o n v e n t i o n a l p o i n t s a r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e s w i t c h i n g i n s t a n t s .c y c l o c o n v e r t e r c o u l d b e o b t a i n e d f r o m r e f e r e n c e [ 9 ] b u t w i l l

b e b r i e f l y d e s c r i b e d f o r c o m p l e t e n e s s . A s c a n b e o b s e r v e d , t h ec o n v e n t i o n a l c y c l o c o n v e r t e r u s e s t w o s e p a r a t e c o n v e r t e r s l a ,

c a l l e d t h e P - c o n v e r t e r a n d t h e N - c o n v e r t e r ; e a c h p e r f o r m i n gs i m i l a r t o a n H - b r i d g e i n v e r t e r . ( b )

P c o n v e r t e r N c o n v e r t e r

V/(t | T < ~~~~~~~~~~~~~~~~~~Os1 s 20 s 30 s 40 ns 50s 60n 7Cm 8on

I~ ~ LI I ~ ~ ~ 0 NERA

T , l , s l l F ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ F i g u r e4 ( a ) l I n p u t 50Hz ( ) O u t p u t 2 5 H z ( c ) O u t p u t 1 2 1 / 2 H zP 1 P3'2v V dnlesga

L~~~~~~

F i g u r e l . S c h e m a t i c o f a covntoa s n l e - p h a s e b r i d g e c y c l o c o n v e r t e r s i n aWf

S1a 8 S1b S Zb \ t \ S 2 a j S ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ S P W M o u t p u t f o r

6 y X - 3 1 1 n J i X W 0 l j 0 S P ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ s w mo u t p u t f o r

n 3 naSa 4F i g u r e 5 : F o r T n a t i o n o f SPWM

SQ I I T h e m a g n i t u d e r a t i o o f t h e r e f e r e n c e s i g n a l ( V f ) t o t h a t o f t h e

t r i a n g u l a r s i g n a l ( V , ) i s k n o w n a s t h e m o d u l a t i o n i n d e x ( m i ) .

F i g u r e 2 . SPMC c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n T h e m a g n i t u d e o f f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t o f o u t p u t v o l t a g e i sp r o p o r t i o n a l t o m i . T h e a m p l i t u d eVs f t h e t r i a n g u l a r s i g n a l i s

I I I . THE S P M C A S C Y C L O C O N V E R T E R g e n e r a l l y k e p t c o n s t a n t . B y v a r y i n g t h e m o d u l a t i o n i n d e x , t h e

I n c o m p a r i s o n t h e S P M C r e q u i r e s 4 b i - d i r e c t i o n a l s w i t c h e s o u t p u t v o l t a g e c o u l d b e c o n t r o l l e d .a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 2 f o r i t s c y c l o c o n v e r t e r i m p l e m e n t a t i o n . I t T A B L E L 1 S E Q U E N C E O F S W I T C H I N G C O N T R O L

r e q u i r e s t h e u s e o f b i d i r e c t i o n a l s w i t c h e s c a p a b l e o f b l o c k i n g I n p u t T a r g e t O u t p u t T i m e S t a t e S w i t c hv o l t a g e a n d c o n d u c t i n g c u f f e n t i n b o t h d i r e c t i o n s . F r e q u e n c y F r e q u e n c y I n t e r v a l "4 m o d u l a t e d "

U n f o r t u n a t e l y t h e r e i s no d i s c r e t e s e m i c o n d u c t o r d e v i c e I I S l a a n d S 4 a

c u f f e n t l y t h a t c o u l d f u l f i l t h e n e e d s [ 1 8 , 1 9 ] a n d h e n c e t h e u s e||5 HZ I 2-

4 IS2a a n t d S 3 ao f co m mo n e m i t t e r a n t i - p a r a l l e l I G B T , d i o d e p a i r a s s h o w n i n S e b a n dcb

F i g . 3 . D i o d e s a r e i n p l a c e t o p r o v i d e r e v e r i s e b l o c k i n g 1 I S l a a n d S 4 a

c a p a b i l i t y t o t h e s w i t c h m o d u l e . T h e IGBT wer e u s e d d u e i t s s o H z 2 4 S 2 a a n d S 3 a

h i g h s w i t c h i n g c a p a b i l i t i e s a n d h i g h c u f f e n t c a r r y i n g 3 12 2 z | S l a a n d S 3 a |

12/z4 41P W o u t p u f o r

c a p a c i t i e s d e s i r a b l e a m o n g s t r e s e a r c h e r s f o r h i g h - p o w e r 5 3 S 2 b a n d S 3 b

a p p l i c a t i o n s . F 2 S l b a n d S 4 b

7 3 S 2 b a n d S 3 bSta s i n a V i ko 8a s 2 Slb a n d S 4 b

F i g u r e 2 . gP M c i r c u I t Do n f i u r a t o n t T h e m a g t u d e o f f u n d a m e n t a l c o V .W m T p C H I N GT R A T E G n t E Sa s i l l u s t r a t e d n i g . 2 f o r i t s c y c l o c o n v e r t e r impThe implementation of th e SPMCas a c y cloconv e rt e r

r e q u i r e s t h e u s ef b i d i e c t i o n a s w i t c e s c a p r e q u i r e s d i f f e r e n t b i - d i r e c t i o n a l s w i t c h i n g a r r a n g e m e n t s

voltagefn odcin ur n i n b o t h d i r e c t i o n s . F r e p u e n c y n F n t e d s r e q u n c I n t p t e f r v a l n y . T h " o d t u t v l a t a e d

o f c o m m o n e m i t t e r a n t i - p a r a l l e l oGBT diodetea i astole show inWM 4 u2h f r e b a n d y o b

c a a i i t y t o t h d i e c t o aw i t c h m o d u l e . T e ( c G B T ow e r i t e r u e ) u t 0z 2ad3

1558 ~ ~ ~ ~ ~ 1 Saad4

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t h e c o n v e r t e r i s c h a n g e d b y c o n t r o l l i n g t h e d u r a t i o n o f * A t a n y t i m e ' t ' o n l y t w o s w i t c h e s S i j ( i = 2 , 3 a n d j = a )o p e r a t i o n o f t h e s w i t c h . I n t h i s w o r k t h e i n p u t f r e q u e n c y o f w i l l b e i n ' O N ' s t a t e a n d c o n d u c t t h e c u r r e n t f l o w d u r i n gp o w e r s u p p l y u s e d i s s e t a t 5 0 H z a n d t h e d e s i r e d o u t p u t n e g a t i v e c y c l e o f i n p u t s o u r c e . ( s t a t e 4 )f r e q u e n c y s y n t h e s i z e d a t t h e 2 5 H z a n d 1 2 1 / 2 H z a sr e p r e s e n t e d i n F i g . 4 . T h e s w i t c h i n g s e q u e n c e s a r e d e p e n d e n t

o n t h e t i m e i n t e r v a l a n d t h e s t a t e o f t h e d r i v e r c i r c u i t f o l l o w i n g V I . MAIN S I M U L A T I O N MODELt a b l e 1 b e l o w ( f o r o n e c y c l e ) .

F i g . 1 0 a n d F i g . 1 1 i s t h e d e v e l o p e d MLS a n d P s p i c e> no d e l r e s p e c t i v e l y f o r S P M C t h a t p e r f o r m s t h e o p e r a t i o n o f a

S i a S i b S 2 b S2a c y c l o c o n v e r t e r . F i g . 1 2 s h o w n t h e b i - d i r e c t i o n a l s w i t c hm o d u l e i n MLS.V ( t ) 49 | L o a d

S3b S3a S 4 a S 4b

S w i t c h I cwfth2

F i g u r e 6 . S t a t e 1 ( p o s i t i v e c y c l e )

S2b '\S2a ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ L o a dla S ib SL OS2a

v i M t ) S w h c h 3='c h_z ~ ~ L o a d ¢L

S3b S3b S4a S4b

Figure 10.Top

levelmain

model ofSPMC

in MLS

F i g u r e 7 . S t a t e 2 ( N e g a t i v e C y c l e ) R X R 9

di[ W 2 2 L

S l a S i b S 2 b S 2 a 2Mo

K ( t ) R R I

x o ¢ R L o a d R 1 2S 3 b S 3 a S 4 a S 4 b C I I i

C9 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 4 4 b0 1 2 F r 0 T - . I

F i g u r e 8 . S t a t e 3 ( P o s i t i v e C y c l e ) o x I 3 i O i l

T h e R w i t c h i n g a n g l e s , o f t h e 4 b i - d i r e c t i o n a l s w i t c h e s S u j ( i R

S n d l a r i v e rw o e s p e c t i v e l y S i l S b e c o n s 2 a e r e d b y t h e F i g u r e 1 1 . M a i n m o d e l o f S P M C i n P s p i c e .

beow Drvrcruiswr , e i g n d t eeaeteSW

L o a d

S 3 b S 3 a S 4 a S 4 b T o i 0

F i g u r e 9 . S t a t e 4 ( N e g a t i v e C y c l e )

T h e s w i t c h i n g a n g l e s , o f t h e 4 b i - d i r e c t i o n a l s w i t c h e s S , ) ( i= 1 , 2 , 3 , 4 a n d j i = a , b ) w h e r e ' a ' a n d ' b ' r e p r e s e n t a s d r i v e r one C O W 2 2

a n d d r i v e r t w o r e s p e c t i v e l y w i l l b e c o n s i d e r e d b y t h e F i g u r e 1 2 . R i - d i r e c t i o n a l s w i t c h m o d u l e i n M I Sf o l l o w i n g r u l e s b e l o w , D r i v e r c i r c u i t s w e r e d e s i g n e d t o g e n e r a t e t h e SPWM

* A t a n y t i m e ' t ' , o n l y t w o s w i t c h e s S i ( i = 1 , 4 a n d ] = a ) p a t t e r t h a t i s c o n t r o l l e d u s i n g t h e s w i t c h i n g s t a t e s a s i n t a b l e1 . T h e d r i v e r c i r c u i t a l g o r i t h m a r e d e s i g n e d b y u s i n g ML S a n d

w i l lb e i n

' O N ' s t a t ea n d c o n d u c t

t h e c u r r e n tf l o w

d u r i n g P s p i c e m o d e l a s s h o w n i n F i g . 3 , c o m p r i s i n g SPWMp o s i t i v e c y c l e o f i n p u t s o u r c e . ( s t a t e 1 ) P* A t a n y t i m e ' t ' o n l y t w o s w i t c h e s S i j ( i = 1 , 4 a n d j = b ) g e n e r a t o r p o r t i o n a n d s t a t e s e l e c t o r p o r t i o n .

w i l l b e i n ' O N ' s t a t e a n d c o n d u c t t h e c u r r e n t f l o w d u r i n g F r o m F i g . 1 3 ( a ) , t w o " s i n e w a v e " b l o c k s a r e u s e d t on e g a t i v e c y c l e o f i n p u t s o u r c e . ( s t a t e 2 ) g e n e r a t e t w o s i n u s o i d a l r e f e r e n c e s s i g n a l ' V r e f j ' a n d ' V r e ) f ' .

* A t a n y t i m e ' t ' o n l y t w o s w i t c h e s S i j ( i = 2 , 3 a n d j = b ) O u t p u t f r o m t h e " s i n e w a v e " b l o c k i s m u l t i p l i e d u s i n g aw i l l b e i n ' O N ' s t a t e a n d c o n d u c t t h e c u r r e n t f l o w d u r i n g " m u l t i p l y " b l o c k w i t h t h e o u t p u t f r o m t h e c o n s t a n t b l o c k t h a tp o s i t i v e c y c l e o f i n p u t s o u r c e . ( s t a t e 3 ) r e p r e s e n t s t h e m o d u l a t i o n i n d e x , t h u s m a g n i t u d e c o u l d b e

1 5 5 9

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v a r i e d b y c h a n g i n g t h i s " c o n s t a n t " v a l u e . T h e " r e p e a t i n g V I I . R E S U L Ts e q u e n c e " b l o c k a r e u s e d t o g e n e r a t e t h e t r i a n g u l a r c a r r i e rs i g n a l ' V a ' . T o p r o d u c e t h e S P W M t h e " r e l a t i o n a l o p e r a t i o n " A . S I M U L A T I O Nb l o c k a r e u s e d a s a c o m p a r a t o r t h a t t r i g g e r s a n o u t p u t S i m u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g F i g . 1 5s w i t c h i n g f u n c t i o n b e t w e e n " O " a n d " 1 ' t h a t r e p r e s e n t s t h e a n d 1 6 f o r MATLAB a n d P s p i c e r e s p e c t i v e l y . P a r a m e t e r sPWM p u l s e t r a i n . u s e d a r e a s s h o w n i n t a b l e 2 .

M _ d u l a c n S P W M GENERATOR STATE TABLE 2 . PARAMET ERS

E 4 1 t e S E L E C T O R | I n p u t S o u r c e ( A C ) 5 0 V , , , ,

R e f e r e n c e F r e q u e n c y s i g n a l ( f r ) 5 0 H z

I FX -3 C a r r i e r S i g n a l ( / 2 ) 5 KH z

I P 1 1 1 I S a m p l e M o d u l a t i o n I n d e x ( m i ) 0 . 7 a n d 1 . 0D I 2 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ L o a d R=SOf l

I,~~~~2

( a ) 3 0

r----------------------------s

I S P W M G E N E R A T O R I I S T A T E S E L E C T O R I 5 1 0

IV S P W m E S I0- S S i C P C N ' . I

F i g u r e3 . A c t u a d i a r a m f d r i - ( a ) u s n M )i+ 1 1 . 0 1 liii11 4 4

44 fyy y \ FISPWUNE2 -20IE9

mu l > E i o s p w U I o 3 3 b ,

s 0 3 0 0 . 0 1 ^ T H r r - . 0 2 0 . 0 3 0. 0 8 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8033o ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ( a )

U0ttlli I g l I I i ] _ I ] ] l } l i _ I I } § l g 1 \ SPWM~~0- 4 40

I Si =£°I 3040

I j-IL - 2 0

( b ) 1 0

F i g u r e 1 3 . A c t u a l d i a g r a m o f d r i v e r c i r c u i t ( a ) u s i n g MLS ( b ) u s i n g P s p i c e

-2 0

WAVEF ORM ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ - 3 0

- 4 0

T h e s t a t e s e l e c t o r p o r t i o n i m p l e m e n t s t h e o p e r a t i o n o f Eol |

r e q u i r e d s w i t c h i n g s t a t e o f t a b l e 1 . H e r e , t h e s q u a r e w a v e 0 _p u l s e r e p r e s e n t s t h e d e s i r e d o u t p u t f r e q u e n c y t h a t a r e '

g e n e r a t e d b y t h e " p u l s e g e n e r a t o r " b l o c k . T h e f i n a l s w i t c h i n g - 3 0 l l g1p a t t e r n f o r t h e c y c l o c o n v e r t e r i s p r o d u c e d b y m u l t i p l y i n g t h e _ 0 .V.v.v.t

o u t p u t f r o m SPWM g e n e r a t o r w i t h t h e s t a t e s e l e c t o r u s i n g t h e 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 T 0 . 0 4 0 e . 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8

GENERATOR 30 -~~~~~~~~~~~~~~TAE s

" m u l t i p l y " b l o c k . E a c h o u t p u t f r o m t h e " p u l s e g e n e r a t o r " i s ( d )m u l t i p l i e d w i t h b o t h o u t p u t s f r o m t h e SPWM a n d a r e a s F i g u r e 1 5 . s i m u l a t i o n r e s u l t ( M L S ) ( a ) a t 2 5 H z a n d m , = 0 . 7 , ( b ) a t 2 5 H z

i l l u s t r a t e d i ni g .4. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ a n d , = 1 . 0 , ( c ) a t 1 2 . 5 H z a n d m , = 0 . 7 , ( d ) a t 1 2 . 5 H z a n d m = l 1 . 0

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300m 0f300 0 07 00

200

*5 20 M_5 65 _ -

( a ) ( a )

O W l - I - - - ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 . 4

s u , o u D M

-52GU+-----------,---------- --------.-----Io 02 .aTi2 ° 0 7 A2 - - - - - -m0SUm 0. 0 00 2 0 . , 0 3 0 . 0 O _ S. 0 07 0 0 0

( b ) ( b )s u T - - --- - - ---------- --------------------- - - - - - - - - - - -Figure 1 7 . S i m u l a t i o n r e s u l t o f S P M C w i t h R - L l o a d a t f = 5 O H z ( M L S ) ,

( a ) o u t p u t v o l t a g e ( b ) o u t p u t c u r r e n t

W e c o u l d o b s e r v e t h a t t h e o u t p u t v o l t a g e a n d c u r r e n tw a v e f o r m s a r e i n d e e d , d i s t o r t e d . U n d e s i r a b l e s p i k e s s e e m t oa p p e a r w i t h a r e a s o n a b l e d e g r e e o f m a g n i t u d e t h a t r e q u i r e se l i m i n a t i o n . T h i s p r o b a b l y c o u l d b e s o l v e d u s i n g n o v e l

c o m m u t a t i o n s t r a t e g i e s t h a t c o u l d b e i n v e s t i g a t e d i n t h e f u t u r e

B . ExPERimENTAL V E R I F I C A T I O N5s o ----------- -

( c ) T h e b e h a v i o u r o f t h i s m o d e l h a s b e e n v e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y i n t h e l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t a s s h o w n i n F i g .1 8 . N o t i c e t h a t t h e b e h a v i o u r d o e s p r o d u c e g o o d a g r e e m e n tw i t h t h o s e s i m u l a t e d u s i n g MLS.

' ' -

.

t i n p u t

5. 20 i oj .mmT

( d ) 6....

F i g u r e 1 6 . s i m u l a t i o n r e s u l t ( P s p i c e ) ( a ) a t 2 5 H z a n d m 1 = 0 . 7 , ( b ) a t 2 5 H za n d m , = l . 0 , ( c ) a t 1 2 . 5 Hz a n d m , = 0 . 7 , ( d ) a t 1 2 . 5 Hz a n d m , = 1 . 0

: ~ : - F o u t p u tT h e s i m u l a t i o n m o d e l c o u l d b e u s e d t o s t u d y t h e b e h a v i o u r

o f t h e S P M C a s a c y c l o c o n v e r t e r u n d e r a v a r i e t y o f t h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s , i n c l u d i n g d i f f e r e n t r e f e r e n c e f r e q u e n c y . + . . . . . . m . u ta n d v a r i e t y o f l o a d . I n t h i s p a p e r w e h a v e f o c u s s e d i n t o

s i m u l a t i o no f p u r e l y

r e s i s t i v el o a d d u e

t o t h ea b s e n c e o f

c o m m u t a t i o n s t r a t e g y . H o w e v e r , s i m u l a t i o n w a s a l s o c a r r i e do u t w i t h R - L l o a d a t f c = 2 5 H z a n d a r e a s g i v e n i n F i g . 1 7 . - I - -

T h i s i s t o o b s e r v e t h e s p i k e s b e i n g p r o d u c e d u n d e r t h o s ec i r c u m s t a n c e s . r - A-- t C i \ v W

~~~~~.. . . . . . . .w.output.

( b )

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[ 2 ] P e l l y , B . R . , " T h y r i s t o r p h a s e - c o n t r o l l e d c o n v e r t e r s a n d c y c l o c o n v e r t e r , "N e w Y o r k , U . S . A . , J o h n W i l e y & S o n I n c , 1 9 7 1 .

[ 3 ] G y u g y i , L, a n d P e l l y , B . R , " S t a t i c P o w e r f r e q u e n c y C h a r g e r s , " N e wY o r k , U . S . A . , J o h n W i l e y & S o n I n c , 1 9 7 6 .

[ 4 ] M i y a z a w a , S . , N a k a m u r a , F . , Y a m n a d a , N . , " A n o v e l s t r a t e g y f o rV m i c r o c o m p u t e r - b a s e d c o n t r o l o f a s i n g l e - p h a s e o u t p u t c y c l o c o n v e r t e r , "

j - + + + t - - tt s F j W F +t++ e - r + - + - 4 + + t + 4 F + + t 4 - 1 #IEEEr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , V o l . 3 6 ( 4 ) , N o v . 1 9 8 9 , p p .5 6 0 - 5 6 7 .

AA ' A 1 l R : : .5 ] Z e i n E l D i n , A . S . ; A u b r y , J . F . ; M a h m o u d , S . A . , " 3 2 b i t s h i g hp e r f o r m a n c e s i n g l e c h i p m i c r o c o n t r o l l e r M C 6 8 3 3 2 f o r t h e c o n t r o l o fc y c l o c o n v e r t e r , " F i f t h E u r o p e a n C o n f e r e n c e on P o w e r E l e c t r o n i c s a n d

o u t p u t ' A p p l i c a t i o n s , 1 9 9 3 , V o l . 4 , 1 3 - 1 6 S e p 1 9 9 3 , p p . 5 3 - 5 8 .[ 6 ] A r s o v , G . L . , " * m p r o v e m e n t s i n m i c r o c o m p u t e r - b a s e d d i g i t a l c o n t r o l o fc y c l o c o n v e r t e r s , " I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , V o l . 3 0( 3 ) , M a y - J u n e 1 9 9 4 , p p . 5 8 5 - 5 8 8 .

; . : . . : . u . : [ 7 ] K a r a m a t , A . , T h o m s o n , T . , M e h t a , P . , "A n o v e l s t r a t e g y f o r c o n t r o l o fc y c l o c o n v e r t e r s , " 2 2 n d A n n u a l E E E E P o w e r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t sC o n f e r e n c e , 1 9 9 1 . PESC ' 9 1 R e c o r d . , 2 4 - 2 7 J u n e 1 9 9 1 , p p . 8 1 9 - 8 2 4 .

[ 8 ] C h o u d h u r y , M . A . , U dd i n , M .B. , B h u y i a , A . R . , R a h m a n , M . A . , "Newt o p o l o g y a n d a n a l y s i s o f a s i n g l e p h a s e d e l t a m o d u l a t e d c y c l o c o n v e r t e r , "P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 6 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e on P o w e r E l e c t r o n i c s ,D r i v e s a n d E n e r g y S y s t e m s f o r I n d u s t r i a l G r o w t h , 8 - 1 1 J a n . 1 9 9 6 , V o l .2 , p p . 8 1 9 - 8 2 5

! .Aw 11-0I- 1l l l v l l t S [ 9 ] H i l l , W . A . , H o , E . Y . Y . , N u e z i l , L J . , " D y n a m i c b e h a v i o r o f: _*:a I r W 5 . 1 t : c y c l o c o n v e r t e r s y s t e m , " I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ,

V o l . 2 7 ( 4 ) , J u l y - A u g . 1 9 9 1 , p p . 7 5 0 - 7 5 5. . . ° P t R R t [ 1 0 ] V e n t u r i n i M . , "A N e w S i n e Wave i n S i n e Wave O u t , C o n v e r s i o nT e c h n i q u e W h i c h E l i m i n a t e s R e a c t i v e E l e m e n t s , " P r o c e e d i n g s

( d ) P o w e r c o n 7 , 1 9 8 0 , p p . E 3 _ - E 3 _ 1 5 .

F i g u r e 1 8 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t ( a ) a t 2 5 Hz a n d m n = 0 . 7 , ( b ) a t 2 5 H z a n d [ 1 1 ] O y a m a , J . , H i g u c h i , T . , Y a m a d a , E . , K o g a , T . , a n d L i p o , T . , "Newm j = l . 0 , ( c ) a t 1 2 . 5 H z a n d m 1 = 0 . 7 , ( d ) a t 1 2 . 5 Hz a n d m=1 . 0 , s c a l e C o n t r o l S t r a t e g i e s f o r M a t r i x C o n v e r t e r , " I E E E P o w e r E l e c t r o n . S p e c .Y : l O O V / d i v , X : l O m s / d i v C o n f . R e c . , 1 9 8 9 , p p . 3 6 0 - 3 6 7 .

[ 1 2 1 S o b c z y k , T . , " N u m e r i c a l S t u d y o f C o n t r o l S t r a t e g i e s f o r F r e q u e n c yV m I I . C O N C L U S I O N C o n v e r s i o n w i t h a M a t r i x C o n v e r t e r , " P r oc e e d i n g s o f C o n f e r en c e o n

P o w e r E l e c t r o n i c s a n d M o t i o n C o n t r o L W a r s a w , P o l a n d , 1 9 9 4 , p p . 4 9 7 -T h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l o n S P M C f o r 5 0 2 .

c y c l o c o n v e r t e r o p e r a t i o n u s i n g M A T L A B / S i m u l i n k ( M L S ) [ 1 3 ] C h o , J . G . , a n d C h o , G . H , " S o f t - s w i t c h e d M a t r i x C o n v e r t e r f o r H i g hs o f t w a r e p a c k a g e h a d b e e n p r e s e n t e d . I t i n c l u d e s t h e F r e q u e n c y d i r e c t A C - t o - A C P o w e r C o n v e r s i o n , " I n t . J . E l e c t r o n . , 1 9 9 2 ,

V o l . 7 2 ( 4 ) , p p . 6 6 9 - 6 8 0 .i m p l e m e n t a t i o n o f SPWM t o s y n t h e s i z e t h e AC o u t p u t s u p p l y [ 1 4 1 Z u c k e r b e r g e r , A . , W e i n s t o c k , D . , A l e x a n d r o v i t z A . , " S i n g l e - p h a s ef o r a g i v e n AC i n p u t . C o m p a r i s o n s o f t h i s m o d e l s w i t h t h e M a t r i x C o n v e r t e r , " I E E P r o c . E l e c t r i c P o w e r A p p , V o l . 1 4 4 ( 4 ) , J u l 1 9 9 7w e l l - k n o w n P s p i c e h a s s h o w n g o o d a g r e e m e n t . T h i s i s a l s o p p 2 3 5 - 2 4 0 .

[ 1 5 ] H o s s e i n i , S . H . , a n d B a b a e i , E , "A new g e n e r a l i z e d d i r e c t m a t r i xv e r i f i e d b y s i m p l e e xp e r i m e n t a l w o r k on a t e s t - r i g d e v e l o p e d c o n v e r t e r , " I n t e m a t i o n a l S y m p o s i u m o n I n d u s t r i a l E l e c t r o ni c s , 2 0 0 1 .a n d c o n s t r u c t e d i n t h e l a b o r a t o r y . V o l ( 2 ) , 2 0 0 1 , p p . 1 0 7 1 - 1 0 7 6 .

[ 1 6 1 F i r d a u s , S . , H a m z a h , M . K , " M o d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n o f a s i n g l e - p h a s e

F u r t h e r s i m u l a t i o n s w e r e a l s o c a r r i e d o u t w i t h s i m p l e RL AC-AC m a t r i x c o n v e r t e r u s i n g S P W M , " R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t ,l o a d . U n d e s i r a b l e s p i k e s s e e m s t o a p p e a r w i t h a r e a s o n a b l e 2 0 0 2 . S C O R e D 2 0 0 2 . S t u d e n t C o n f e r e n c e o n 1 6 - 1 7 J u l y 2 0 0 2 , p p . 2 8 6 -

2 8 9d e g r e e o f m a g n i t u d e t h a t r e q u i r e s e l i m i n a t i o n . T h i s p r o b a b l y [ 1 7 ] N e a c s u , D . O . , " I G B T - b a s e d " C y c l o c o n v e r t e r s " b u i l t o f c o n v e n t i o n a lc o u l d b e s o l v e d u s i n g n o v e l c o m m u t a t i o n s t r a t e g i e s t h a t c o u l d c u r r e n t s o u r c e i n v e r t e r m o d u l e s , " I n t e m a t i o n a l S y m p o s i u m o n S i g n a l s ,b e i n v e s t i g a t e d i n t h e f u t u r e . C i r c u i t s a n d S y s t e m s , " 2 0 0 3 . SCS 2 0 0 3 , V o l . 1 , 1 0 - 1 1 J u l y 2 0 0 3 , p p .

2 1 7 - 2 2 0 .[ 1 8 ] W h e e l e r , P . W . , C l a r e , J . C . , E m p r i n g h a m , L . , B l a n d , M . , K e r r i s , K . G . ,

R E E 7 E R E N c E s " M a t r i x c o n v e r t e r s , " I E E E I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s M a g a z i n e , V o l . 1 0

[ 1 ] M a a m o u n , A . , " D e v e l o p m e n t o f c y c l o c o n v e r t e r s , " C a n a d i a n C o n f e r e n c e ( 1 ) , J a n - F e b 2 0 0 4 , p p . 5 9 - 6 5 .

on E l e c t r c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g , 2 0 0 3 . I E E E CC E C E 2 0 0 3 . [ 1 9 ] W h e e l e r , P . W . , i g u e z , J . , C l a r e , J . C . , E m p r i n g h a m L , W e i n s t e i n ,V o l . 1 , 4 - 7 M a y 2 0 0 3 , p p . 5 2 1 - 5 2 4 A . , " M a t r i x c o n v e r t e r s : a t e c h n o l o g y r e v i e w , " I E E E T r a n s a c t i o n s o n

I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , V o l . 4 9 ( 2 ) , A p r i l 2 0 0 2 , p p . 2 7 6 -2 8

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