TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 81 1 4  ~ 811 9   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.68 93          8114     Re cei v ed  Jul y  4, 2014; Re vised Septem ber  29, 20 14;  Accept ed O c tober 17, 20 1 4   A Design and Analysis of Voltage Source Inver ters for  Renewable Energy Applications      M. Murali* 1 , Arulmozhi y a l 2 , P Sundara moorth y 3   1,3 Department of Electrical a n d  Electron ics, Sona C o ll eg e of  T e chnol og y,  Salem,  T a milnadu- 635 00 1, India   2 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Peri ya r Mani amma i U n iversit y , Sal e m,  T a milnad u- 635 00 1, India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : muralimu n ra j @ gmai l.com       A b st r a ct  T he pa per pr o poses  desi gn  o f  voltage s ourc e  inv e rt ers for r enew ab le  ener gy ap plic atio ns  such as   HEV. T he w i nd and sol a r are  grow ing e ner g y  sources to  w o rld this so urce s to be convert ed alter nati ng  one   for grid interfac ing. Conv entional  invert ers ar e electr onic thy r istor which  has som e   drawbacks. To im pr ove  its efficiency  a nd p e rfor manc e MOSF ET  based i n vert ers  usin g contro lle rs has b een  d e sig ned usi ng  PIC   control l ers. In t h is  proj ect the   hardw are  d e tai l s of  thr ee  ph a s es, 50 H z ,  60 W ,  180  degr ee  con ductio n   mod e   of VSI outp u t w a vefor m s u n d e r  vario u s l oad  c ond itions   w e re  prese n ted  an d  discuss ed. T h i s  pap er w ill  be   a  signific ant cont ributes for forthco m i ng dev el op me nt of Hybrid El ectric  Vehicl e (HEV). In w h ich Volta g e   source i n verter s is operati on i s  perfo rmed i n  Sing le PIC mic r ocontro ller.     Ke y w ord:  voltage so urce i n v e rters, MOSF ET , PIC micr oco n troll e r, hybird  electric ve hicl e s     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    The glob al desi r e to re duce the vehicl e emi s si ons a nd im prove fuel e c on omy  accele rated t he develo p m ent of Hybrid  Electri c  Vehi cle (HEV). Th e  technol ogy a d vancement s in   the are a  of e l ectri c  drive  systems, batte ry tech n o logi es, fuel cells  and the inte rnal co mbu s ti on   engin e  (ICE)  resulted in hi ghly efficient HEV.  Electri c  vehi cle  (EV) is  a road  vehi cle  that  empl oys a  mo de rn ele c tri c   propul sion  system. It p r ovides emi ssi on free  urb a n  road  tran sp ortation. T he  EVs a r e  cla s sified i n to th ree  types   s u c h   as  Battery EV  (BEV), Fuel  Cell EV  (FCEV) and HE V [1]. The  HEV eliminates  the  disadvantages of  both pure EV  (BEV) and  convent ional vehicl e. The F C EVs are  still under  developm ent and  th ey  a r e co stlier also. The HEV  u s e s  two o r  m o re ki nd s of  en ergy  sou r ce s  to  prop el the  wh eels an d on e  sho u ld  be el e c tri c al e n e r gy . Energy  so urce  ca n b e  ga s, natu r al  ga s,  battery, ultra cap a cito r, fly  whe e l, sola r panel, et c. HEV is a vehicle whic h utilizes the multipl e   sou r ces of propul sion [2]. Simply the HEV consi s ts  of an internal  combu s tion  engin e  and a n   electri c  moto r. The importa nt advantage s of t he HEV  are optimi z e d  ope rating e fficiency of ICE   and lon g  drivi ng ran ge.   Re ctifiers,  inverters, a nd  d c /dc conve r te rs  are u s e d  i n  HEV s  [3]. T he p o wer  ele c troni cs  components  not only improve  the overall system reli ability but also  reduce the  cost, size, etc. In   addition to  p o we r el ectro n ics, the te chnolo g y of th e ele c tri c  mo tor play s a  major  rol e  in  the   vehicle’ s dyn a mics a nd t he type  of  power  co nve r ter fo r  cont rolling the  ve hicle  ope rati ng   cha r a c teri stics [4]. The tran sisto r i z ed  inverter is used in th e HEVs. Compa r ed to  the   thyristori ze d i n verter it h a s some  speci a l advantag es  in the area of  size, wei ght, co st, efficien cy  and co mmuta tion. The VSI provide s  necessary po we r supply to electri c  motor from the energ y   stora ge  syste m . The el ect r ic moto r o r  traction  mo tor provide s  ele c tric  p r op ulsi o n   in HEVs  [5 ].  No wad a ys M O SFET ba se d VSI is used  in HEVs. F u el cell ve hicl e s  (F CV)  use  hydrog en a s  f uel  to produ ce el ectri c ity; therefor e they are basi c ally e m issi on fr e e . When  conn ected to ele c tric  power g r id  (V 2G), the F C V  can  provid e  electr i c ity for  emergen cy p o we r ba ckup  durin g a p o wer  outage  [6]. Due to  hydrog en p r od ucti o n ,  storage,  an d the te ch nical limit ation s   of fuel  cell s a t  the  pre s ent time,  FCVs a r e n o t  available to the gene ra l p ublic yet. HE Vs are li kely to domin ate the  advan ced  pro pulsi on i n   co ming yea r s.  Hybrid  Te ch n o logie s   ca n b e  u s ed  for al most  all  kind s of  fuels a nd e n g i nes [8]. Th erefore, it is  not  a tr an sition t e ch nolo g y. Figure  1 expl ai ns the  ro ad m ap  of hybrid tech nologi es an d  curre n t status.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  and  Analysi s of Voltage Sou r ce In vert ers for Ren e wable  Energ y … (M. Murali)  8115     Figure 1. Roa d  map of hybrid techn o logy       Single-pha se  VSIs a r e  used p r ima r ily f o r l o w po we r ra nge  ap plications,  whil e  thre e- pha se VSIs  cover b o th me dium an d hig h  po wer  ra ng e appli c atio n s . Figu re 2  shows the  Three- Phase Volta g e  Source Invert er  Circuit Schem atic [3].    Switche s  in a n y of the three legs of the in verter  cann ot be swit che d  off simultan eou sly  due to thi s   resultin g in th e voltage s b e ing d epe nd ent on th e re spe c tive line   curre n t's  pola r ity.  States 7 an d  8 pro d u c e  zero A C  line  voltages,  wh i c h result in  AC line  curre n ts free wh eel ing   throug h eithe r  the uppe r or the lower compo nent s. Howeve r, the line voltages for  state s  1  throug h 6 pro duce an AC line voltage co nsi s ting of t he discrete val ues of Vi, 0 or –Vi. For three- pha se SPWM ,  three mo dul ating si gnal s  that are  1 20  degree s out  of pha se  with  one a nothe r  are  use d  in orde r to generate  pha se loa d  voltage s.  PWM is gen erated with a  sin g le ca rri er  si gnal,  the norm a lize d  carrie r freq uen cy, mf, ne eds to be a  combinatio n of three. That the magnitu de  of  the pha se voltages  same,  whi c h is out o f  phase  with each other by  degre e s 1 2 0 .  The maximum  pha se volta g e  am plitude  i n  the  linea r  region  in  whi c h ma  le ss th an o r   equ al t o  on e, is  v pha se  =  v i  /  2 . The ma ximum obtai n able li ne volt age  amplitud e is  V ab1  = v ab  •  √ 3 /  2 w h ich  is  on ly wa y to   control the lo ad voltage is  by chan ging t he input DC voltage to mini mum level.        Figure 2. Three-Ph ase Voltage Sour ce I n verter  Circui t Schematic      2. Fabricated  V S I  The fabri c ate d  VSI is desi gned  with PIC 167F 877A  controlle r whi c h control s  th e seri es  of opto-co upl er a nd  sh ow  informatio n t h rou gh  LC D  the tran si stor IRFP 2 50  si gnal s i s  ap pli e d   throug h  cont roller’ s o p to-couple r  a c ts a s   solid  state   relay  contai n s  a  ph otodio de o p to-i sola tor  whi c h  drive s   a po we r  swit ch, u s u a lly a  compl e me nta r y pai r of MI SFETs. Slotted o p tical  switch  contai ns a so urce of light and a se nsor and optic al  chann el are in  open, allowi ng modul atio n of  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 :  8114 – 81 19   8116 light by external obj ect s  o b stru ct ing  the  path of lig ht or reflectin g  li ght into the  sensor. Th e P I C   micro cont roll er ha s  b een  very succe s sful in 8- bit microcontrollers. The main ad vantage is th at  Microchip Te chn o logy ha s continu o u s ly upgr ade d the device  architecture an d  added  nee d ed  perip he rals to the mi cro c ontrolle r to  suit cu stome r s'  req u ire m e n ts. It ha s t he featu r e s  l i ke  internal A D C and midra n g e  architectu res. The  M C T 2 E has featu r es 5 300 V R MS isolation  test  voltage and I nput-o utput couplin g ca pa citan c e <  0.5  pF. In Figure 3 sho w s the experim ent al  setup  of VSI. It consi s ts  of 6V, 10Ah Lead A c id  B a ttery unit p o we r ci rcuit (IRFP250 Po wer  MOSFETs),  PIC 16F8 77A  microcontroll er, MCT2 E o p to-coupl ers,  DC volta ge  regulato r , 20 0 W ,  250V b a lan c ed three  ph ase  lamp  lo ad. The   ph ase  voltage  wavefo rm s, pha se  cu rrent  waveforms, li ne voltage waveform s an d line cu rre nt waveform s unde r variou s load conditi ons  are  ca pture d  with the  hel p of digital  st orag e o s cillo scope. T he  magnitud e  of  the firin g  pu lse s   immediately  after PIC 16F 877A micro c ontrolle r, t he  magnitud e  of  the firing pul se s after M C T2E  Opto-cou ple r , magnitude of  the phase vo ltages a nd lin e voltages a r e measured.       Figure 3. Pro posed Syste m  diagram       3.  Experiment Resul t s   The p r op ose d  sy stems was te sted  exp e rime nta lly in  ord e r to  eval uate the  perf o rma n ce   of the p r op osed fab r icated  VSI in und er different  gat e  pul se and   load con d ition s   An analy s is  of  the influen ce   of the M C T2 E is o p to-cou pler   in  the  co ntrolled  outp u t  curre n t is  be yond the  sco p e   of the this  wo rk.G ate Pulse s  Ge ne rated  Usi ng PIC  16 F877A. Th e i ndividual  gat e pul se s for  six  power MOS F ETs a r e ge nerate d  with  10ms  ON  perio d an d 10ms  OFF  perio d u s ing  PIC  16F87 7A.  Th e  Figu re 4 sh ows  the gate pulses  of  the  MOSFETs 1,  2 an d 3. In  Fi gure  5 th e g a t e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  and  Analysi s of Voltage Sou r ce In vert ers for Ren e wable  Energ y … (M. Murali)  8117 pulses of the   MOSFETs 4,  5 a n d  6. Th e  pha se  shift b e twee n the  tri ggeri ng  of th e two  adj ace n t  MOSFETs  is 60 o  (3.33 m s ). Ea ch MO SFET con d u c ts for  10 m s  a s  sh own in the gate p u lse   wav e for m s.             Figure 4. Gate pulses of M O SFETS 1, 2 and 3   Figure 5. Gate pulses of M O SFETs 4, 5  and 6       4. No  Load  Res u lts   Whe n  no-l o a d  conditio n  the fabricated voltage  so urce  inverter line  voltage wave form as  sho w n fig.6. The no loa d  output voltage waveform is a qua si-sq u a re wave. It  has a cond uction  perio d of 12 0 0  (6.6m s ) a nd a de ad b and of 60 0  (3.33ms). The  theoreti c al study of the 180 0   con d u c tion m ode of the Voltage Source Inverter  is thus reali z ed  throug h the hard w a r e set  up   unde r no loa d  conditio n .           Figure 6. No l oad line volta ge wavefo rm       Whe n  fabri c ated voltage  sou r ce inve rter  conn ecte d unde r loa d ed co ndition s in two   load s unde r star an d delta load co nditi ons in  Star conne cted the  obse r ved ph ase voltage  and   pha se curren t waveform s of the VSI fo r star  co n n e c ted load are sho w n in Fig u re 7. From the   waveforms it  is seen  that the ph ase vol t age an d ph a s e  cu rre nt are six  step  wa veforms. Ea ch  step  ha s a  time pe rio d  of  60 0  (3.33m s).  It gives  outp u t for the  enti r e 1 8 0 0  (10m s) du ration.  T h e   observed li ne  voltage an d l i ne current  waveform s  of the VSI for st ar  conn ecte d  load a r e  sho w n  in Figu re 7. F r om the  wave forms it i s   se en that  the li n e  voltage i s  a  qua si squa re  wave. It ha s  a  con d u c tion p e riod  of 12 0 0  (6.6m s )  and  a dea d ba nd  of 60 0  (3.3 3m s). But the li n e  cu rrent is a  six  step wave. T he pha se current and line  current wav e form s are  si milar. Thu s  the experim e n tal  results match the theoretical s t udy of the 180 0  cond u c tion  mode  of  the VSI u nde r  star  co nne ct ed   load.     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 :  8114 – 81 19   8118       Figure 7. Phase voltage a n d  pha se curre n t  waveforms fo r star  con n e c ted load   Figure 7. Line  voltage and l i ne cu rrent  waveforms fo r star  con n e c ted load       The o b se rve d  pha se volt age a nd p h a se  cu rrent  waveforms  o f  the VSI for delta   con n e c ted lo ad are  sho w n in Figure 8 .  From t he waveform s it is seen that the phase voltage  and ph ase Current are qu asi-sq ua re waves. The  wa veforms h a ve  a con d u c tion  perio d of 12 0 0  (6.6m s )  a nd a  dead ban d of  60 0  (3.3 3m s). Th e ob se rved line volta ge and li ne  current wavefo rms   of the VSI are sh own in Fi gure  9.  From  the wavefo rm s it is  see n  th at the line vol t age is  a qu a s i- squ a re  wave . But the line cu rre nt is  a six step  wave. Each  step ha s a tim e  peri od of  60 0  (3.33m s). Th e pha se volta ge and lin e voltage waveform s are  simi lar.          Figure 8. Phase voltage &current for delt a   c o nn ec te d  Figure 9. Line  voltage &current for delta  c o nn ec te d      5. Conclu sion    In this work fabri c ated volt age source i n ve rters is in trodu ced. Th en ne w co ntroller is  desi gne d usi ng PIC16 7 F8 77A with a d vantage of  st atic de sign  and  low po we r co nsum ption. With   introdu ction  MCT2E opto -   co uple r   ha rmonics ha s been re du ce d  from re sult s  u nde r No  l oad   con d ition an d  loaded  con d i t ion. The re sults und er  sta r  and d e lta lo aded  con d itio n is very stab le   whi c h mot o r l oad s can b e   con n e c ted to  Hybri d  Elect r ic Ve hicl e is the eme r gin g  tech nolo g y for  pre s ent a nd  future ge ne ration. Develo ped voltage  sou r ce invert er is  suita b le  for all type of  electri c   motor drive s  in va ri ous ro ad l oad s u s e d   in  HE Vs. Co nverte r play s vital role in  HEVs the   prop osed fab r icate d  voltag e sou r ce inverters w ill be  significa nt one. With the more stri ng ent  regul ation s  o n  emissio n s and fuel  e c on omy,  glo bal warmi ng,  and  con s traints o n  en ergy  resou r ces, th e ele c tric,  hybrid, an d fuel  cell vehi cle s   have attra c te d more an d  more  attentio n by  automa k e r s, govern m ent s.      Referen ces   [1]  Ali Emad i, et  al. T opolog ic al ov ervie w   of  h y brid  el ectri c  and fu el ce ll veh i cu lar p o w e r s y stem  architectur e s a nd confi gur atio ns.  IEEE Trans. on Vehicular  Technology . 2 005; 54( 3): 763 -770.   [2] CC  Ch an.  T h e  state of the ar t of electric a n d  hybri d  ve hicl es.  Proceedings of the  IEEE. 2002; 90( 2):   247- 275.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  and  Analysi s of Voltage Sou r ce In vert ers for Ren e wable  Energ y … (M. Murali)  8119 [3] CC  Chan.  T h e   state of th e art  of e l ectric, hy brid,  and  fue l  c e ll v e h i cles . Proc. of the IEEE, vol. 95, no.   4, April 20 07, p p .704- 71 8.  [4] Iqbal  H u ssai n .  Electric an d Hy brid Ve hicl e: Desig n  F und amentals.  Editi on,  CRC Press. 2003.   [5]  KT  Chau, CC Cha n .  Emergi n g  en ergy-effici ent techn o lo gi es for hybri d  el ectric vehic l es .  Procee din g s   of the IEEE. 2007; 95(4): 8 21- 835.   [6]  Ali Emadi  et al.  Pow e r el ectronics  an d  mot o r driv es i n  e l ectric, hybri d   electric, a nd  p l ug-i n  hy bri d   electric ve hicl e s . IEEE  Trans. on Industri a l El ectronics. 55( 6 ) .    [7]  J Castell´ o, J Esp´ ı , R Garc´ ı a-Gil, SA Gon z ´alez. A robu st predict ive c u rrent contro l for three-p has e   grid-connected inverters.  IEEE Trans. Ind. E l ectron ., 200 9; 56(6): 19 93 –20 04.   [8]  J Espi, J Castello, R Garcia- G il, G  Garcera ,  E  F i gueres. A n  ada ptive rob u st  predictiv e current contro l   for three-ph ase  grid-co nnecte d inverters.  IEEE Trans. Ind.  Electron.,  20 11 ; 58(8): 353 7 – 354 6.  [9]  IEEE Standar ds Board, IEEE Std 1547 S t andar d for  Intercon nectin g  Distribut ed  Re sources  w i t h   Electric Po w e r S y stems, IEEE Std. 1547. 200 3.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.