TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 81 2 0  ~ 812 5   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.68 83          8120     Re cei v ed Au gust 2, 201 4; Re vised O c to ber  8, 201 4; Acce pted No vem ber 1, 20 14   Bidirectional Luo Converte r F e d Swit ched R e luct ance  Motor        M.Vish v a nath*, R.Balam u rugan   Dep a rtment of Electrical  and  Electron ics En gi n eeri ng, K.S.Ran gasam y  C o lle ge of T e chnol og y,  T a milnadu, Ind i a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : drnrba ls@gm a il.com       A b st r a ct   T he pres ent w o rk ai ms at d e s igni ng  an d mode lli ng of a  bi directi ona l DC- DC LUO co nv erter for   drivin g a  Sw itched  Rel u ctanc e Motor. L U O converters  ar e  n e w  series  of D C /DC C onverte rs that hav e ve ry   low  ripple of v o ltag e and cur r ent and   h a ve output   w a ve  w i th h i gh  q u a lity ,  hig h   pow er  d ensity  an d  hig h   transfer volt ag e ga in  an d d o n ’ t h a ve  circ uit el e m e n ts paras itic li mits of traditi on al  convert e rs. L U O   converters  hav e very  hig h  vo l t age tra n sfer g a ins  in  ge o m et ric pro g ressi on  on sta ge  by-stage. A  C- D u mp   converter  is u s ed to dr ive t he SRM dr ive.  T he pres ent  desi gn a i ms at  improvi ng th e  efficiency  of the   Sw itched Rel u ctance Motor d r ive system by  the incorp orati on of the bid i r e ctio n a l DC-D C  LUO convert e r  betw een the e l ectrical so ur ce and  the drive  s ystem.     Ke y w ords :  LU O converter, SRM, DC-DC co nverter, C- Du mp co nverter     Copy right  ©  2014 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    Switche d  Rel u ctan ce Moto rs (S RM ) have inher ent ad vantage s su ch as sim p le structu r e   with no n-win d ing  con s tru c tion in  roto r si de,  hig h  toleran c e,  robu stne ss, l o w  co st with  no  perm ane nt magnet in t he structu r e,  and it ope ra ted in hig h  temperature s  or i n  inte nse   temperature   variation s  [1]. The S R M i s   an el ectri c   m a chi ne it  conv erts th e  relu ct ance torque  i n to   mech ani cal p o we r. In SRM, both the stator and ro to r en close a st ructu r e of p r o j ected - pol e, due  to proje c ted  pole s  it prod uce a  high o u tput to rqu e . The torq ue i s  form ed by  the arrang em ent  inclin ation of pole s  [1].  Bidire ctional dc– d c co nverters allow  tra n sfer  of po we r bet ween  two dc  so urce s in  either  direction [2].  Due to thei r ability to reverse the di rection of flow of   current and t hereby power the   dire ction of the motor is  re verse d . Powe r qualit y pro b l e ms have b e c ome im porta nt issu es to b e   con s id ere d   due to the  recomme nde d limits of  harm oni cs i n  sup p ly cu rrent by vario u s  internatio nal  power quality  stan da rd s  su ch  as  t h e  I n t e rnat ion a l E l ectro tec hnic a l  Commiss ion [3]     (IEC) 6 1000 -3-2. Fo r cla s s- A equi pme n t ( < 6 00 W,  16 A per ph a s e)  whi c h in clude s hou se h o ld   equipm ent, IEC 61 000 -3-2re stri cts the  harm oni c cu rre nt of different order  su ch that th e total   harm oni c dist ortion (THD)  of the supply  current  shou ld be belo w   19. In all DC/ DC  conve r ters,  the output voltage and p o wer tran sfe r  efficien cy ar e li mited by parasitic of ele c t r oni c and p o w er  electroni c ele m ents.  Howe ver, in cal c ul ation,  traditio nal converte rs can p r od uce high volta g e   with high efficiency. LUO converte rs [4] are ne w DC/ DC  conve r ters that overco me above lim iter   effects an d for the in cre a sin g  of voltage, us e reli ft and triple-lift technique s [4-5]. The s e   conve r ters  produ ce  high  voltage f r om l o w voltag e  of  photovoltai c  i n  op eratio n. I n  L U O  co nve r ter  with po sitive output, the input and outp u t  voltage are positive [4].  Ho wever,   fun damental  con v erters su ch  as  B o o s t  con v erter and   B u ck conve r ter  ca nnot  be u s ed in th e high -po w e r  situation  and  at the  sam e   time have m any disadvan tages. In recent  years,  co nversion te ch niqu es h a ve  b een  develop ed  ra pidly and  ther e are ple n ty o f  topologie s   o f   DC-DC  conv erters. Dr. LUO Fa ng Lin  has invent e d  more th an  100 novel to pologi es of p o we r  DC/ DC co nverters,  in clud ing  the well -kno wn se ri e s  LUO  converter, Positive/Neg ative/Dou b le   Output LUO converte rs et c [4-5].  A LUO co nve r ter ha s bee n  widely use d  due to its inh e rent cha r act e risti cs [6] of voltage   lifting many  versio ns of  L U O  co nverte r voltage liftin g  techniq ue  su ch  as re-lif t, supe r-lift a nd  ultra-lift h a ve  been  re po rte d  in th e literature.  Amo ng t hem, the  Sup e r-Lift LUO  Converte r i s  ve ry  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidirectional L uo Converter  Fed Switched  Reluctance  Motor  ( M . V i s h v a n a t h )   8121 popul ar b e ca use it  ha s a  very high volt age tran sfer   gain. Voltage  Lift (VL) te chniqu e ha s b een   widely u s e d  i n  ele c troni c  ci rcuit  desi gn. I t  has p r ovide d  a go od  way  to solve the  probl em that t h e   output voltag e an d p o wer  transfe r  effici ency  of DC- DC conve r ters are   limited. Howeve r,  volta ge  lift techniq u e  still h a s its  disa dvantag e s , such a s  t he o u tput vo ltage in crea ses i n  a r ithm etic   prog re ssion.  Along with th e develop me nt of conv e r si on tech niqu e, Super-Lift (S L) techniq ue  has  sho w n a mo re powerful ab ility than volta ge lift techniq ue [5].  SRMs requi re po we r  con v erters to  contro l  the  condu cting  se quen ce  of t he  stator  windi ng s. Asymmetric  brid ge SRM  con v erters hav e   two switche s   (plu s two dio des) p e r  pha se.  This  conve r te r topolo g y pro v ides the m o st flexible  and  effective con t rol to the current waveforms  of an SRM bu t has the high est numb e r of  switche s .  The c-d u mp circuit  ha s  a  singl e  switch   per pha se. The store d  magneti c   en ergy  in  a  stator  windin g  is tran sferred, after the turn-o ff of a power switch , to the stora ge ca pa citor  and  then sent to  the po wer  su pply via a st ep-d o wn  d c   cho ppe r. The  topology  co uld re du ce t h e   overall cost o f  the SRM dri v e.      2. Proposed  LUO  Conv erter Fed S w i t ched Reluctance Mo tor  Driv e   In the prop osed ci rcuit mo del given inp u t AC su p p ly is co nverte d into the dc  su pply with   the help of the diode b r idg e  rectifie r.           Figure 1. LUO Conve r ter  Based S R M Drive       Figure 1 sh o w s the p r op o s ed L U O  con v erter ba se d SRM drive.    The DC su pp ly is given to the LUO co nver ter. The  LUO  conve r ter is u s ed to  improve  the output q uality of the sup p ly. It mean s in  the  LUO  co nvert e r outp u t it contai n the l e ss  harm oni cs, l e ss di stortion   and l o w rip p l e . By co ntroll ing the  L U O  conve r ter out put, SRM  mo tor   output p e rfo r mance i s  im proved.  For t he L U O  con v erter  ope rati on n o rm al P W M  gene rat o r i s   use d . Thu s  t he C-  Dum p   conve r ter [7]  is the  effi cien t conve r ter fo r the S R M d r i v e. Here the  C-  Dump  co nverter is u s e d  to drive the SRM motor.  The  hystere s i s  current co mpa r ator i s  u s ed  to   give the roto r position  and  also it ge ne rates t he Pul s e Signal to th e C-  Dum p  converte r. Wh en  we  control the LUO converter th us the  performance  of the SRM  drive is varied.  By controlling  the LUO  conv erter S R M dri v e is easily controlle d.      3. Opera t ing Principle of LUO  Conv erter   3.1. LUO Co nv erter Oper ation   The ci rcuit diagra m  for the  LUO  conve r ter [2-8]  i s  sh own in Fi gure  2. In the circuit, S is  the main switch an d D is t he free whe e li ng di ode. Th e energy storage devi c e s  are ind u cto r s L1,  L2 and  cap a citors C1, C2,  R is the loa d  resi stan ce.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8120 – 81 25   8122     Figure 2. LUO Conve r ter      For an alyzin g purpo se th e LUO  co nverter  can  be  divided into t w o mo de s. Whe n  the  swit ch S is O N , the induct o r L 1  is ch arged by the supply voltage  source. Th e  inducto r L 2  and   cap a cit o r C 1  absorb s  the  energy from sou r ce at the  same time. The load p o w er i s  su ppli ed by  cap a cit o r C 2 . Du ring  swit ch S i s  i n  O FF state  there  is  no  cu rrent flow. T h e indu cto r   starts  discha rgin g throu gh the freewheelin g di ode so the  ca pacito r  get s charg ed. The i ndu ctor  Curre n t  i L2  discha r g e s through the capa citor C 2  a nd the load R. If we add the additional fil t er com pone n t s  like capa citor  and ind u cto r  to redu ce t he  harm oni c levels of the out put voltage.    3.2. Modes o f  Oper ation   Mode 1 :  whe n  the switch  S is ON, the i ndu ctor L 1  i s   cha r ge d by the supply vol t age. At  the same  tim e , the i ndu cto r  L 2 is   c h ar ged  th ro u g h  th e c a p a c i to r C 1   and th e  sou r ce. The  capa ci to r   C 2  delivers th e loa d  p o wer.  The  corre s p onde nt ci rc uit of L U O  conv erter in  meth od 1  op eratio n is  s h ow n  in  F i gu r e  3 .       Figure 3. Mode 1 Ope r atio n      Mode  2 :  whe n  the switch  Sis OFF  stat e, there i s  n o  cu rrent flo w . The i ndu ctor sta r ts  discha rgin g throu gh the freewheelin g di ode so the  ca pacito r  get s charg ed. The i ndu ctor  Curre n t  i L2  disch arg e s  thro ugh th e  cap a cito r C 2  and the lo ad  R and th e freewheelin g d i ode D to  ke ep   itself contin uo us. The eq uivalent circuit o f  LU O co nverter in mode 2  operat ion is  shown in Figure  4. In disco n t inuou s cond uction  mod e  ope ration,   output i s  in  the form  o f  discontinu o u s  c o nd uc tio n .   In this disco n tinuou s con ductio n  mod e  diode i s  n o t pre s ent a nd indu ctor  discha rge   throug hout V 0  and  L 2 . The  output pe rio d  of the L U O  b u ck c onve r ter is  comp ri sed  of an in du cto r   and capa citor.      Figure 4. Mode 2 Ope r atio n      The output st age sto r e s  a nd delivers e nergy  to the load, and sm oothen s out the switch  node   voltage to  pro d u c e a stable   outp u t voltage.  I ndu ctor ch oice  straight i n fluen ce s the  amo u n t  of current ri pple seen on t he indu ctor  current, as fine as the  cu rrent ability of the buck  conv erter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidirectional L uo Converter  Fed Switched  Reluctance  Motor  ( M . V i s h v a n a t h )   8123 itself. Inducto rs  differ from  make r to m a ker in bot h  m a terial a nd  si gnifica nce, a nd typically h a ve   a toleran c e of  20%. Inductors h a ve an inherent DC  resi stan ce (kn o wn a s  the DCR) that impacts  the pe rforma nce  of the   output p o int. Re du ci ng  the  DC resi stance  imp r o v es the  wh ole  perfo rman ce  of the converter. Fo r that functio n  it needs a larg e lo ad cu rre nt, it  is sug g e s ted  to   cho o s e  an in duct o r wit h  a  small  DC r e si st an ce.  The  Dire ct  c u r r ent  resi st an ce i s  less er f o r sm all  indu ctor valu es, but there  is a trade − o ff between in ducta nce and  ripple cu rren t; the lower the   indu ctan ce, the ri pple  cu rrent i s  hig h  t h rou gho ut  th e indu cto r . Similarly, for t he ne gative  half  cycle of the supply voltage , switch  Sw 2 , indu ctor L i 2 , an d diode s  D 2  a nd  D n  cond uct.       4. C- Dum p   Conv erter fo r SRM Driv e  It is de rived  from th e  C-  Dump   conve r ter [9]  circuit  by elimin atin g the i ndu cto r  of th e   buck convert e r. The en erg y  is t hen dum ped into the capa citor but i s  dire ctly utilized by the ne xt  pha se, rathe r  than  bei n g  retu rn ed t o  the d c   supply a s  in  the conven tional C-  Dump  config uratio n. Since  the  C- Du mp  ca pac itor voltage  is in the  rang e  of 2 V dc , its p r oper utilizatio n  signifi cantly improve s   the drive  pe rform ance.          Figure 5. C-Dump Co nvert e r      Comp ared  wi th a modified  C-  Dum p  co nverte r,  we n o te that the  energy in the  dump  cap a cito r is  dire ctly utilized to ene rgi z e pha se wi n d ing s  and to  maintain the  dump capa citor   voltage at  V dc  rather tha n  2 V dc . Control of the d u mp capa citor voltage i s  simplified a nd  dupli c ation of  the phase cu rre nts is e nab led in  an en ergy efficient C- Dump  conve r ter.   Figure 5  sho w s th e en ergy efficient  C-  Du m p  co nverter to pol ogy, derived  from the   conve n tional  C-  Dump  converte r [9]. The topol o g y could  mi nimize th e  whol e co st  of th e   Switche d  Rel u ctan ce M o to r drive. The  p o tential  ratin g s  of the c-du mp ca pa citor  and a fe w of th e   swit chin g dev ice s  in the e nergy effici en t C- Du mp co nverter a r e redu ced to th e sup p ly voltage   ( V dc ) level  co mpared to t w i c e the  supply  voltage (2 V dc ) in the  conventional  C- Dump  conve r te r.  In addition, th e co nverte r h a s  simple  co n t rol re quirem ents a nd all o ws th e moto r  pha se  curre n t to   freewheel d u ring ch oppin g   mode.       5. Simulation Resul t s   5.1. Withou t LUO  Conv erter Fed S R M Driv e   In the results  torque  ran ge  of the motor is  red u ced an d the spe ed range i s  also low.       Figure 6. Without LUO Co nverter O u tpu t s  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8120 – 81 25   8124 The  rippl e in  the m o tor fl ux is  high  a nd al so  the  curre n t rang e of the  mot o r i s  l o w.   Without L U O  conve r ter  circuit the motor take s 0. 2 second s to rea c h  the steady st ate con d ition.     5.2. LUO Co nv erter Fed SRM Driv e.  In the result s torque  rang e of the motor is increa se d a nd the spe ed  rang e also high. The  ripple i n  the  motor flux is lo w and th e cu rrent  ra n ge of the m o tor is i n cre a se d. With L U O   conve r ter  circuit the motor take s 0.1  second s to  reach the steady  state  conditio n  when   comp ared to the witho u t LUO conve r ter o peratio n. The  acceleration  in the torque i s  high.        Figure 7. With LUO  Conve r ter Outp uts        In the given Simulation re sults th e out put  torqu e  ri pple is  red u ced wh en  co mpared to  the without L U O converte r circuit.      6. Conclusio n   From thi s  th e bidirectio n a l LUO conv er ter fe d Switched  Rel u ct ance drive  h a s the  increa sed  dri v e efficien cy whe n  comp ared to  witho u t LUO  co nverter  ope ratio n . Here for t h e   LUO  conve r ter no rmal P W M pul se ge nerato r  is u s e d . In future for the LUO  Co nverter o pera t ion  SVPWM, NEURAL  or FUZZY logic m e thods will be  i m plemented f o r improving t he perform a nce  of LUO conv erter  with SRM drive and  also fo r t he Switch ed Relu ctan ce Drive  the spa c e ve ctor  modulatio n tech niqu e ma y be implemented. Due t o  the implem entation of LUO converte r th e   spe ed of the motor is in cre a se d and the  torque rip p le  also re du ced .  Bridge LUO  converte r ha s  to be repla c ed with Brid gele ss L U O  conve r ter  so  that the power fa ctor i s  improved when  comp ared to the co nventio nal co nverte rs.      Referen ces   [1]  Jin-W oo  A hn, Jiani ng Lia ng and Don g -H ee   Lee.  C l assific a tion and Ana l ysis of  S w itch e d   Rel u ctanc e   Conv erters.  Journa l of Electri c al Eng i ne eri n g & T e chnol og y . 2010; 5(4):    571- 579   [2]  Anbuk umar K a vitha a nd Gov i ndar aja n  Um a. Experim enta l   Verificati on  of Hopf Bifurc atio n in  DC –D C   Luo C onv erter.  IEEE T r ans.  On Power Electronics.  20 08; 23 (6): 2878 -2 88 3.  [3]  Vashist Bist a n d  Bhim S i ng h. An Adj u stab le- S pee d PF C Bri dge less Buck  Boost Co nvert e r-F ed BL D C   Motor Drive.  IEEE T r ans. on industrial Electronics . 200 3; 18( 5): 2665- 26 77.   [4]  F ang Li n Luo a nd Hon g  Ye. Positive Output Super- L ift Con v erters.   IEEE  T r ans. on Power Electronic s ,  200 3; 18(1): 10 5-11 3.  [5]  F ang Li n Luo  and Hon g  Ye. Negativ e Output Super- L ift Converter s .  IEEE T r ans. on Pow e r   Electron ics . 20 03; 18(5): 1 113 -112 1.  [6]  Silp a N, C h itra  J. An Improv ed L U O Co nv erter for h i gh   voltag e a ppl ic ations,”  Jo urn a l  of E m er gin g   T e chno logy  an d Advanc ed En gin eeri ng.  20 1 4 ; 4(5): 262-2 6 7 .     [7] King-Jet  T s eng ,  Shu y u Cao a nd Jiji u W ang.  A Ne w   H y bri d   C- Du mp  an d Buck F r onted  Conv erter for   S w itc h e d  Rel u ctance Motors.   IEEE T r ans. o n  industrial Electronics . 200 0; 47(6): 12 28- 12 36.   [8]  A Manik a n d a n ,  N Vad i vel.  Desig n   and  Impleme n tatio n  of Lu o C o n v erter for El e c tric Vehic l e   Appl icatio ns.  Journ a l of Eng i n eeri ng T r ends  and T e ch no log y .  2013;   4(1 0 ): 443 7-44 41.   [9]  T ae-W on Lee,   Yong- Ho Y o o n ,  Yuen  C hun g  Kim, B y ou ng-K u k L ee  an d C h ung  Yu en W o n .  Contro l of   C- D u mp c o n v erters fed  s w itched  rel u ctan ce motor  o n   a n  a u tomotiv e   app licati on.  Ele c tr i c  P o wer  System s Res e arch.  200 7;   80 4–8 12.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bidirectional L uo Converter  Fed Switched  Reluctance  Motor  ( M . V i s h v a n a t h )   8125 [10]  Sanj eev S i n gh  and  Bhim  Sin g h . A Vo ltag e-C ont rol l ed  PF C  Cuk C onv erter  Based  PMBLD C M Driv e fo r   Air Con d itio ner s.  IEEE T r ans. on  industrial  Electronics . 20 12 ; 48(2): 832-8 3 8 .  [11] Ismail  Agirman ,  Aleksan dar  M. Stankovic, Gilead T admor  and H anoc h Lev-Ari. Ada p tive T o rque - Ripp l e Mi nimiz a tion  in S w itc hed  Rel u ctanc e Motors.  IEEE T r ans. on i ndustri a l El ectronics.  20 01;  48(3): 66 4-6 7 2 .   [12]  Mike Barnes, Charl e s Poll oc k. Po w e r Elect r onic Co nverte rs for S w itch e d  Relucta n ce  Drives.  IEEE  T r ans. on Pow e r Electron ics , 199 8; 13(6): 1 1 00-1 1 1 1 .   [13] Athiy a man  and  Prakasam K .  Pow e r Qualit y  Improvem ent in PMBLDCM Drive using PFC SEPIC   Conv erter for Air Con d itio ner .  Journal of En gin eeri ng Sci e nces & Rese ar ch T e chno lo gy .  2013; 2(7):   166 8-16 74.   [14]  F ang L i n L u o  and H o n g   Ye. Positive  Output  Multip l e -Lift-Push-P ul l S w itche d  C apac itor Lu o- Conv erters.   IEEE T r ans. on Pow e r Electroni cs . 2003; 18( 1) : 594-60 2.  [15]  Abbas  A. F a rd oun. Ne w  Ef fi cient Bridg e les s  Cuk Rectifiers for PF C  Applicati ons.  IEEE T r ans. on  Power Electronics.  2012; 2 7 (7 ): 3292-3 3 0 0 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.