TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5758 ~ 5765   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.627 4          5758     Re cei v ed Ma rch 1 2 , 2014;  Re vised Ma y 14, 2014; Accepted Ma y 27 , 2014   Harmonic Reduction in Variable Frequency Drives  Using Active Po wer Filter       M. Tamil v ani * , K. Nith y a M. Srini v asa n   Dep a rtment of Electrical  and  El ectron ics, Bannar i Amman Institut e of T e chno log y /A nna  Univers i t y Che nna i, India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : tamilvan i90 @ gmai l.com, knith y a 7 @gm a il .com       A b st r a ct   In this pap er V o ltag e Sourc e  Inverter (VSI) is  used to su pply  a varia b le fre q uency var i a b le  voltag e   to a three  ph as e in ductio n   mo tor drive i n  a v a ria b le  s p e ed  app licati on. On e i m p o rtant co mp licati on  is th at,  Voltag e Sourc e  Inverter (VS I ) used in VF D causes  non -sinus oid a l o u tput volta ge a n d  current d u e  to   prese n ce  of ha rmo n ics. Sh unt  active fi lter w i th VSI  top o lo gy  is pr opos ed  fo r current  har monic  eli m in atio n.   The curr ent c ontrol  sch eme  pro pos ed f o r SAPF is   Syn c hron ous  Refe rence  Fra m e  theory  a ppl ied   t o   SVPWM. The referenc e curr ent can be  calculated by  using Reference  Fram e Transform a tion, refer e nc current ar e tra n sformed fr om a b c stationary fram e to d q rotating fram e. In SVPWM technique, t he  Active Pow e r F ilter referenc e voltag e is g ener ated  a nd  desir ed Active  Pow e r F ilter  output volta g e  is   gen erate d  by SVPWM. The analysis of si mu la tion resu lts are  carried o u t in MATLAB/SIMULINK mo de l.     Ke y w ords : ac tive pow er filte r , voltage s our ce inv e rter,  pu lse w i dth  mo d u lati on, sync h rono us refer e n c e   frame tra n sfor mati on, spac e vector mo du lati on         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  In Varia b le S peed  ap plication, Voltage   Sour ce Inve rt er i s   com m o n ly used to   supply a  variable freq uen cy variabl e voltage to a three p h a s e indu ction  motor. In this PWM drive s  are  more  efficien t and typical l y provide hi gher l e vels  of perfo rman ce. A suita b l e  Pulse  Wid t Modulatio n t e ch niqu e i s   employed  to  obtain th e re quire d o u tput  voltage  of the inve rter.  The  most co mmo n AC drive s  today are based on  si nusoidal pul se-width m o dulation SP WM.  Inductio n  mot o r is  rug ged,  reliabl e, and  single - f ed m a chi ne; it can  dire ctly abso r b the rea c tive  power fro m  the utility with this device, we can  get two  advantage s:  one is th at we can  get a l o w   start  cu rrent;  the othe r i s  t hat we  can  chang the  m o tor  sp eed  convenie n tly b y  cont rolling  t h e   output frequ e n cy of the ASD.          Figure 1. Con v entional Ind u ction Moto Drive       Two  ba sic types  of inve rters a r exist in  gene ral .  Curre n t so urce inve rter (CSI),   employing  a  dc li nk ind u ctan ce  acro ss the in ve rt er a nd thi s   provide s   a switch ed  cu rrent  waveform at the motor o u t put terminal s. CSI are  ro bust in o pera t ion and  relia ble due to th inse nsitivity to sho r t circuit s  and n o isy e n vironm ent. Voltage Source Inverte r  (V SI), employing a  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Harm oni c Re ductio n  in Variable Frequ en cy  Dri v e s  Usi ng Active Po wer Filte r  (M. T am ilvani)  5759 dc lin k ca pa ci tor and p r ovid ing a switch e d  voltage wav e form an d they are co mm only use d  wh en       comp ared to  Curre n t Source Inve rter  si nce th u s of Pulse  Widt h Modul ation  (PWM ) in th em  allows effici e n t and  smo o t h ope ration,  whi c h i s  free from  torq ue pul satio n s an cog g i ng.  Furthe rmo r e,  the freq uen cy  ran ge of VSI  is hi ghe r a n d  they are u s u a lly more  in e x pensive  wh e n   comp ared to  CSI drive s  of  the sa me rating. Bo th Voltage Sou r ce I n verters a nd  Curre n t Source   Inverters a r e  used in  adj ustabl spee d AC  driv e s . Ho weve r, Voltage So urce Inverte r with   con s tant V o lts/He rtz (V/f)  are  mo re  pop ular,  whe r e   th e ne ed  of hig h  a c curacy  of sp eed  contro l is  not cru c ial a n d  for the appli c ation s  with o u t position  co ntrol re quire ments [1].  Sinusoi dal P u lse  Width M odulatio n techniqu e is  ap plied to Volta ge Source In verter, in  sinu soi dal PWM inste ad  of maintainin g the widt h of all pulse s the same a s  in the ca se of  multiple P W M, the  width  of e a ch i s   varied  in  pro portion  to th e am plitude  of  sine  wave  evaluated  at the  same  pul se. The  disto r tion is r edu ced  signifi cantly  comp ared to  multiple PWM.   A high-f r equ ency tri angul ar  carrie r wa ve    is comp a r ed with  a si nusoidal refe ren c  of the   desi r ed freq u ency. The intersectio n  of   and   waves determi ne s the swit ching  instant s and  comm utation  of the modula t ed pulse whi c h is  sho w n i n  Figure 2. The modul atio n index co ntrols  the harm oni c conte n t of the output wavef o rm [2-4].          Figure 2. Sinusoi dal Pulse  Width Modul ation Wavefo rm                                                                      But at the  same time, A C  inve rter  ca n also  cau s e s  h a rm onics  in this  drive  and thi s   harm oni cs  wil l  redu ce the  power facto r   and the mo to r perfo rma n ce gets affecte d  in this syst em.  The ha rmo n i c  effect s in indu ction mo tor are  noi se vibration,  shaft defle ction, overh eati ng,  excessive losses, harm oni c torques, oscillation,  low  efficiency and shor ten induction motor  life   operation.   Becau s e of these pro b lem s , the harmo nic filter s h a ve to be desig n by consi dering all of   those fa ctors. There  can  be differe nt types of  filters that are  u s ed in  ord e r to redu ce t h e   harm oni c distortion. Passi v e filters hav e been  used  as a  solutio n  to solve h a rmo n ic  cu rrent  probl em s, but  they p r e s ent  seve ral  di sa dvantage s,  n a mely: they o n ly filter the  frequ en cie s  th ey  were p r eviou s ly tuned  for;  their o p e r ati on cann ot be  limited to a  certai n lo ad;  resona nces can  occur  be cau s e of the interaction b e twe en the pa ss ive filter and ot her lo ad s, with unp redi ctab le   results. T o  cope  with the s disa dvant age s,  re ce nt efforts  have  been  con c e n trated i n  th developm ent  of active po wer filters. In  whi c h a c ti ve harm oni filters are ele c tro n ic  d e vice t hat  eliminate the  unde sirable  harm oni cs  o n  the net work  by in sertin g neg ative harmo nics into  the   netwo rk.  The  Active Power Filters a r e no rm ally availab l e for low voltage net works [5-7].      2. Activ e  Po w e r Filter  Active Power Filter offers flexible and versatile so lution for mitigation of ha rmoni curre n t and voltage to improve the voltage quality pr o b lems. Active  filters have the advanta g e  to  comp en sate f o r ha rmo n ic  without fund a m ental freq ue ncy  re active power con c e r ns.  The rating   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  575 8 –  5765   5760 the active p o w er  ca n be l e ss th an a  co mparable  pa ssive filter for t he same n o n - linea r loa d  a n d   the active filter will not introduce  system res onances that can m o ve a harm o nic problem from  one freq uen cy to another.   They are co n nect to lo w a nd medi um voltage di strib u tion sy stem  in sh unt or in  seri es.   The Active P o we r Filters  consi s t of activ e  com pon ent s such as IG BT-tran s i s tors an d gate p u lse  are  gen erate d  by u s ing  Synchrono us  Referen c F r ame the o ry  applie d to  sp ace  vecto r  p u lse   width mod u la tion.    2.1. Series Activ e  Po w e r Filter   Serie s  Active  Powe r Filte r  is  con n e c ted  to the  syste m  thro ugh  cou p ling t r an sform e r.  The co mpe n sation voltage  is used to ca ncel  the volta ge harmoni cs of the load source            Figure 3. Seri es Active Po wer Filte r       2.2. Shunt Activ e  Po w e r Filter   The m a in  ai m of a n   shu n t Active Po wer Filte r  (A PF) i s  to  ge nerate   comp ensating   curre n ts into i n verter o u tpu t  for can c elin g t he curre n t harm oni cs  co ntained in the  inductio n  mo tor   load cu rrent. This will thu s  result in sin u soi dal . The curre n t comp ensation ch aracteri stic of the   shu n t active power filter is sho w n in Fig u re 4.             Figure 4. Shunt Active Power Filter      3. Sy nchronous Re fer e n ce Frame Th eor y   In this Synchronou s Refe re nce F r ame th eory  ba sed d - q model i s  discusse d. Ref e ren c e   frame tran sfo r mation refers to transfo rmation fr om  a-b - c to d-q - 0 axes. Coo r dinate s  from   a   three - ph ase a-b - station e ry co ordi nat e system  to  the d-q - 0 rotating co ord i nate syste m  is   carrie d out. Here first tra n sformation i s  fr om a - b-c to alpha-b e t a coordinate s  and  se con d   transfo rmatio n is from al pha-beta to d-q - 0 co-o rdi nates. T w different tran sform a tion m a trix  need to be re quire d Cla r ke  Tran sform a tion and p a rk tran sform a tion  [9, 13].        Instantan eou s voltag e a n d  cu rrent in  three p h a s circuit it is  mathe m atically exp r esse d   in Space Ve ctor form. The s e three vect ors  a-b - are  displa ce d by an angle of  120  from each  other is  sho w n in Figure 5.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Harm oni c Re ductio n  in Variable Frequ en cy  Dri v e s  Usi ng Active Po wer Filte r  (M. T am ilvani)  5761     Figure 5. Vector Diag ram f o r a-b-c axis      3.1. Clarke T r ansformatio n   The fo rward   Clarke  (194 3 )  tra n sfo r d oes  a  magni tude inva rian t tran slation   from a  three p h a s system into t w o o r thogo n a l com pone n t s. If the neutral - g r ou n d  con n e c tion  is   negle c ted, th e sum of va ri able s  in  a th ree-p h a s system (a -b -c) i s  equ al to  ze ro, and  there  is   redu nda nt informatio n. Therefo r e, the syste m can b e  redu ced to two varia b le s, called    and   The Cla r ke transfo rm is gi ven by:       1 0                                (1)    Referen c e  frame th eory  b a se d d - q  mo del i s  p r e s e n t ed. Instanta neou s volta g e s i n  the      a-b - coo r din a tes are tran sform ed to  two axis  coo r dinate s  rep r e s ente d  by  α  and  β  sh ow n  in  Figure 6.        Figure 6.  Vector  Diag ram  for a-b - c to     axis      3.2. Park Tra n sforma tion   The Pa rk (19 29) t r an sform  is  a ve ctor  rotati on, which rotate a v e ct or (define d  by its  quad ratu re compon ents)  throug h a specifie d angl e. The Park transfo rmati on is given  by  followin g  set  of equation:      =  cos sin s in cos                               (2)    In three p h a s e s  bal an ced  system  neut ral current i s  ze ro, and  zero  seq uen ce cu rrent  doe s not exist. Voltage in  α  an β  refe rence fram e is express a s  sho w n in Eq uation (2). T h e   Voltage in  α  and  β  refere nce fram e is further tra n sf orm in rotatin g  refere nce frame with  ω r  as  angul ar velocity in  d-q referen c e fram e .  Instantaneo us voltage s in the   β    coordi nates are   transfo rme d  to d-q coo r din a tes sho w n in  Figure 7.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  575 8 –  5765   5762     Figure. 7. Vector  Diag ram  for    axis to d-q axis    3.3. Proporti onal Integral  Contr o ller  The PI c ont roller is  very impor tant part for the SAPF. It c ons is ts  of  proportional term and  integral term.  With this el ement, the best c ontrol  perform a nce of the SAPF i s  obtai ned.  PI  focu se s on th e differen c (error) bet wee n  the Pro c e s s Vari able  (P V) and th e Set-Point (SP),  the  difference between  harmonics current  reference  signal IH and the f ilter current If. PI controller  algorith m  involves two  sep a rate pa ram e te rs; the Pro p o rtional a nd the Integral.    The Pro porti onal value d e termin es th e rea c tion t o  the cu rren t erro r; the Integral   determi ne s the rea c tion b a s ed o n  the sum of re c ent  errors.  Average sum of these two a c ti ons  is u s e d  to  ad just the  p r o c ess of th e pl ant. By  co rre c tly "tuning" t hese two  con s tants in th PI  controlle r alg o rithm, the P I  controlle r can p r ovid e   control actio n  desi gne for spe c ific  process  requi rem ents [10].    3.4. Closed  Loop Cur r en t Con t rol Sc heme using  Sy nchronou s Frame The or y   The  cont rol  schem sho w n in Fi gure 8  co nsi s ts  of  i nner  current control  lo op and outer  voltage control  loop. The PI  controller of  the  voltag e control  loo p  gives a  cu rre nt comma nd   requi re d to maintain the DC bu s voltag e to set valu e. This is  ad ded to the A C  co mpo nent  of d   axis of the load cu rre nt. It  gives the cu rrent refe re nce  value for d axis comp one nt. The refere nce  for q axis is o b tained after t he orie ntation  of load curre n t [10].          Figure 8. Block  Diag ram o f  Close d  Loo p Curre n t Co ntrol Sch e me  Usin g Synch r ono us F r am Theo ry      4. SVPWM   SVPWM signals can  be generated  directly from  the inst antaneous reference  phase  voltages. E a ch  refe ren c e   pha se volta g e  is  comp are d  with  the  tri angul ar  ca rri er, a nd th e p o le  voltages fo r individual p hase are  ge nerate d  inde pend ently of each oth e r .  To obtain the  maximum p o ssi ble p e a k   amplitude  of  the funda me ntal pha se v o ltage in li ne ar mo dulatio n, a   comm on m o d e  voltage     is  adde d to the  referen c e p h a se volta g e s whe r e th e m agnitud e   of      is given b y Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Harm oni c Re ductio n  in Variable Frequ en cy  Dri v e s  Usi ng Active Po wer Filte r  (M. T am ilvani)  5763    = -                                             (3)                        Whe r    the maximum mag n itude of the three i s  sampl ed refe ren c pha se voltag es an    is the minimu m magnitud e  of the three sampled  reference pha se v o ltage s [3, 8,  12].      5. Simulation Resul t s   5.1. Variable Freque nc y  Driv w i thou Activ e  Po w e r Filter  This  se ction  rep r e s ent the sim u latio n  re sult of  Variabl e Fre quen cy Driv e befo r con n e c ting A c tive Powe Filter by usi n MATLAB/SIMULINK. Fi gure  9 and  Figure 10  sh ows   output cu rren t waveform a nd FFT an alysis of  VFD  without co nne cti ng active filter.           Figure 9. Output Curre n t Wavefo rm of VSI Fed Induction Moto          Figure 10. THD Level for V F D With out Filter       5.2. Sy nchronous Refe re nce Frame T r ansformatio n           Figure 11. Ou tput Waveform of  Refere n c e Frame T r a n sformation   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  575 8 –  5765   5764 The 3 φ  sin e   wave s with 120  d e g r ee pha se shift  a r e conve r ted   to  2 φ   -  a nd then   conve r ter to  d-q axi s . The  transfo rmati on ci rcui t is d e velope d in the MATLAB/SIMULINK. Fi gure   11 sho w s the  Va, Vb, Vc  sine wave  with  120  deg ree   pha se  shift is conve r ted to  2 φ  wave form   (  ) that is 9 0  degree pha se shift each  other when   is 0 degre e  and   is 90 d egre e . Again  -   is tran sforme d to d-q axis.     5.3. SVPWM Pulse Generation  Thre e ph ase  referen c e volt age i s   comp a r ed  with the  triang ula r  carrier  wave to  p r odu ce  gate p u lse t o  VSI used  in Shunt  Act i ve Powe Fi lter. Figu re   12  referen c e  and  tria ngul ar   waveform an d Figure 13 shows the gat e pulse for VSI inverter.        Figure 12. Th ree Pha s Re feren c e Volta ge and tria ng ular waveform          Figure 13. SVPWM Pulse Generation for VSI      5.4. Variable Freque nc y  Driv w i th Activ e  Po w e r Filter           Figure 14. Ou tput Current  Wavefo rm of VFD with Filt er  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Harm oni c Re ductio n  in Variable Frequ en cy  Dri v e s  Usi ng Active Po wer Filte r  (M. T am ilvani)  5765 In  this  S hunt Active  Power Filter (SAPF) is co nnected  to load si de i n  order to  reduce the  output curren t harmo nics.  The  curre n t control  sc hem e propo sed  for Shu n t Acti ve Powe r Filt er  (SAPF) is S y nchronous  Reference F r ame th eory  and SVPWM techni que is empl oyed to  generate pul s e to SAPF  by using MA TLAB/SIMU LINK. Figure 14 and Fi gure 15 shows output  curre n t wavef o rm an d FFT  analysi s  of VFD with  conn ecting a c tive filter.          Figure 15. THD Level for V F D with Filte r       6. Conclusio n    This paper present s a nov el Synchronous Reference  Fram e theory with SVPWM   techni que is  used for  cont rolling the i n j e ction of  the  compensating curren t.   Shunt Active Power  Filter is dev elope d for h a rmo n ic red u ction in  VSI based Indu ction moto r drive. From  the  simulation results it is observ ed that To tal Harm onic  Disto r tion (T HD) is re du ce d from 12.12 % to   4.86% usin g the pro p o s ed  methodol ogy in efficient manne r.      Referen ces   [1]  Amer BELLIL,  Abde lkad er M E ROUF EL. Uni v ersit y   of  Dr Moul a y  T ahar, S a id a Alg e ria (1) ,  Universit y  of   Sidi Be l-Abb e  Algeri a  (2), ISSN  003 3-20 97,  R. 88 NR 5b/2 012: 12 8-1 31.   [2]  Manj ari Mehr otra, Dr AK Pan d e y . Harmo nic s   Anal ysis  of VSI F ed Inductio n  Motor Drive.  Internatio na l   Journ a l of Eng i neer ing a nd In novativ e T e chn o lo gy . 201 2; 2(5): 36-40.   [3]  K Mounik a , B Kiran Bab u . Sinus oid a l a n d  Space V e ctor Pulse W i dt h Modu latio n   for Inverter.  Internatio na l Journ a l of Eng i n eeri ng T r ends  and T e ch no log y . 2013; 4(4): 1 012- 101 7.   [4]  MH Bierhoff, FW Fuchs.  DC  Link Harmonics  of T h r ee Phase Voltag e Source Converters  Influenced b y   the Pulse W i dt h Modu latio n  S t rateg y -An An a l y s is.  IEEE Tra n s. Ind. Electron ., 2008; 55( 5): 2085- 20 92.   [5]  Sangs hin  K w a k , Hamid  A T o li yat. A  H y bri d   Conv erter S y st em for H i g h -pe r formance  Lar ge In ducti o n   Motor Drives.  IEEE Trans. Energy. Con ., 20 05; 20(3): 5 04.   [6]  AR Bei g , VT   Ran gan atha n. A Novel  CSI fed Ind u ctio Motor Drive . I EEE Trans. Power Electron. ,   200 6; 21(4): 10 73-1 082.   [7]  JR Espi noz a, G Joos. A Cu rrent Sourc e  I n vert er fed  Ind u ction M o tor  Drive S y stem  w i t h  R educ e d   Losses . IEEE Trans. Ind. Appl.,  1998; 3 4 (4) :  796-80 5.  [8]  G Nara yan an,  D Z hao, HK Kr ishn amurth y, R  A yya nar, VT   Ran gan atha n. Space V e ctor Based H y b r i d   PW T e chniq ues for Red u ce d Curre nt Ripp l e.  IEEE Trans.  Ind. Electron. , 200 8; 55(4): 16 14-1 627.   [9]  M Sunitha, BN  Kartheek. Elim i natio n of Harm onics  Us ing Ac tive Po w e r F ilt er Based  on D Q  Referenc e   F r ame T heor y .  Internation a l J ourn a l of Eng i n eeri ng T r ends  and T e ch no log y . 2013; 4(4): 7 81.   [10]  Cha nda ni M C hovati a , Nara yan  P Gupta, Preeti N Gupta.  Harmon i c Mitig a tion us ing S h unt Active at   Utilit y   end i n  grid con necte d  to  Rene w a bl e Source of Energ y Internat ion a l Jour nal  of Emerg i n g   T e chno logy  an d Advanc ed En gin eeri n g . 2012; 2(8).  [11]  Sang u R a vi ndr a, VC V eer a R edd y,  S  Siv a n agar aju.  Des i g n  of S h u n t Acti ve Po w e r F i lter  to e limi nat e   the harm onic   currents a nd t o  comp ens ate  the reactiv e   po w e r un der  distorted an d or  imb a la nce d   source voltages in st eady   state.  Internatio na l Jo urna l of E n gin eeri ng T r e n d s a nd T e c h n o lo gy . 20 11 ;   2(3): 20.   [12]  GK Nisha, IAENG, S Ushak u m ari, Z V  Lakap arampi l.  Har m onic El i m in atio n of Space V e c t or Modul ate d   T h ree Ph ase I n verter . Proce edi ngs  of the I n ternati o n a l M u lti  co nfere n ce  of Eng i ne er a nd C o mp ute r   Scientists. 201 2; 2, IMECS.  [13]  Jarup u la  Soml al, Ve nu Go pa l a , Ra o Ma nna m. Anal ysis  of  Discrete &  Sp ace V e ctor P W M Control l e d   H y brid Activ e  Po w e r F ilters for Po w e r Qua l it y  En hanc eme n t.  Internation a l Jour nal of  Advanc es i n   Engi neer in g & T e chno logy . 2 012; 2(1): 3 31- 341.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.