Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.  9,  No.  2,   Februa ry 20 18,  pp. 4 81 ~ 492   IS S N: 25 02 - 4752, DO I:  10 .11 591/ijeecs .v9.i 2.pp4 81 - 492          481       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Improve d Field - o rien t ed Cont ro l  fo r PWM Mul ti - level   I nvert er - f ed Ind uction  Moto r Drives       D.  L.   Mon N z ongo 1 ,   E.  Leu goue 2 ,  J. H.  Zha n g 3 , G.  Eke mb 4   1 Sm art Grid  and S ensor  Te chno lo g y ,   Insti tut e   of  F uzhou  Univer si t y ,   Chin a   2,3 Tra nsm ission &   Distribu ti on  S y stem R ese ar ch insti tute ,   North  China   El e ct ri c  P ower  Univer sit y ,   China   4 Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in ee ring ,  Queb ec  Chic outi m i   Univ ersity ,   Can ada       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le   hist or y:   Re cei ved   15  N ov , 201 7   Re vised  Jan   10 , 201 8   Accepte d  Ja n 2 9 , 2 01 8       Thi s  pape r  prop oses  a  new  appr oac h  to  ensur e  t he  torque   de cou ple d  to  th e   rotor  flux  of   a n  induc t ion  m a chi ne  b ase d  on   the   Fi el d  Ori e nte d  Contro l  (FO C).   The   suggested  m et hod  c onsists   of  insert ing  int o  the   conv ent ion al   d - q  s y nchr onous  cu rre nt  cont ro ll er ,   coup li ng  te rm s  of  m otor  and  m ult i - le v el  inve rt er  m odel s.   Making,   the   d ynamic  response  of  stat or  cur ren t  components  dec oupl ed  as  well   as  the   rotor  fl ux  and  torque .   I n  thi s  pape r,   the  m at hemati c   m odel   of  an  induc ti on  m otor  an d  m ult i - le ve l  inv ert er  ar e  first  de ri ved.   Th en,  the   s y n chr onous  cur ren t  cont rol l er  and  m odula tion  strat eg y   for  high  power   inve rt ers  are   inv esti gated.   Fina lly ,   th e  validation  through  implementation  and   sim ula ti on  of  a  4. 16  kV  e lectr i c  driv e  wit h  MA TL AB/S imulink  and   Sim Po werS y ste m s  is  per form ed .     The   m odel  sim ula t ed  in  thi s  pa per   includes   an  induc ti on  m ot or,   nine - l eve l  c a sca ded  H - bridge  inve rte r  and  a  c arr ie r  base d   spac e  ve ct or  pul se - width - m odulation.   Th e  result s   of  the   sim ula ti o ns  of  ea ch  m et hod  has  be en  rec ord ed  an d  the   compari s on  result s  rev e al   th at   th e   proposed  m et ho d  eff e ctively   m aintai ns  the   rotor  f lux  de coupl ed   to   the t orqu e.   Ke yw or d s :   C arr ie r base d  s pace  vecto r  pu lse  w it h m od ulati on   Decou pling cu rr e nt contr ol   D - q  sy nchr onous c urre nt   Fiel d  ori ente d con t ro l   Ind uction m oto r   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   D.   L. M on N z ongo ,    Sm artGr id and  Sen s or Tec hn ology I ns ti tute ,   Fu z hou U niv e r sit y, 2 Xu ey ua n  R d,   3501 08, Fuz hou, F uj ia n, Chi na .   Em a il :  m on nzongo dan ie l@y a hoo.fr       1.   INTROD U CTION   Durin g  the  la st  two  deca des,   m ul ti - le vel  inv erters  ha ve  be com e  ver y  po pula r  in  high  powe r  m oto r   dr i ve  a pp li cat ion s   s uch  as  fa ns ,   pum ps ,  c onvey or s ,  tract i on  an d  pro pulsi on  dri ves   [ 1,  2].  They  ha ve   these   qu al it ie s  since   they   are  a ble  to  ge ner at e  a  s te pp e d  vo lt age   wavef or m   that  bette r  ap pro xim at es  a  sinu s oid al   wav e f or m .  In   high  po wer   dr i ve  ap plica ti on s ,  m ult i - le vel  inv erter s  pro vid e   to  the  in du ct io n  m oto r  a  co ntro ll e d  vo lt age   an d  frequ e ncy.  T hre e  tradit iona l  m et ho ds   a re  a vaila ble  to  m anufactu rer s   to   co ntro l  volt age  a nd  f re qu e ncy  of  el ect ric  dr ives  [ 1 - 6].  They  are :   (1 )  Scal ar  co ntr ol,  (2)  Fiel d - o rie nted  Co ntr ol  (F OC )  and   ( 3)   Direct  T orqu e   Con tr ol  ( DT C).  Scal ar  c on trol  m et ho d  c onsist s  to  m ai ntain  the  r at io  volt age  per   fr e quency   const ant  w hen  con tr olli ng   a n  ind ucti on   m a chine .  T he  F O C  m et ho ds   in de pende ntly   con tr ol  the  tor que  an d  flu x  com ponent   that  inclu des  coor din at e  tra nsfo rm at ion ,  Pul se  W idth   Mo dula ti on   (PWM )   te chn i qu e ,  a nd  tw o  synch ron ous  con t ro ll ers  f or  the  flu x  an d  to rque  com pone nts.  The  DTC  m et ho ds   are  li ke  FO C  m et ho ds   but   require  neither   coord i nate  tr ansfo rm ation   nor  P WM  te chn i qu e .  They  need   a  lo ok - up  ta ble  to  sel ect   the  su it able  vo lt ag e  vecto r  of  the   inv e rter  a nd  a  hyste resis  c on t ro l.   [ 3 - 4]  H ow ever,  hyste resi s  co ntr ols  ar e  known   to  cause   tor que   rip ples  in  t he  m oto r  and   po or  ste ady - sta te   pe rfor m ance  at   low - s peed s .  T hi s  con t ro l  m ode  has  a  fast  respo ns e   and   a  sim ple  s tructu re  [ 7].  More over,  t hey  are  vulne rab le   a nd   ca n  cause  osc il la ti on   beca us e  of  la rg e  values  of  sta tor/r oto r  r esi sta nce  of  t he  m otor in  h i gh po wer d rives .    I n  ge ner al ,  th e   m ai n  go al   of   FO C  m et ho ds   is  to  kee p   the  or ie nted  r ot or   flu x  dec ouple d  to  tor que  at   any  giv in g  ti m e  by  con tr olli ng  the  sta tor  th ree - ph a se  cu rrent  [8 - 11] .  T his  can  be   ac hie ved   by  us in g  sp ee d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   481   –   492   482   sens or   m easur em ent,  coo r din at e  trans f or m at ion   syst e m s,  est i m ation   m et ho ds  and   sync hro nous  regulat ors.    B ut ,  the  no n - li ne ar  nat ur e  of  th e  AC  m oto rs  and   t hr ee - ph as e  inv e rters  t hroug h  their   co upli ng   te rm s,  m akes  t hat  go al  d iffic ul t  to  achieve.  S ever al   im pr ov i ng   m et ho ds  o f  FO C  we re  inv e sti gated  in  li te ratur e   [1 2 - 15] .  Am ong  them ,  the  station ary  an d  synch r onous  fr a m e  PI   reg ulat ors,  ad diti on al   PI   ty pe  regulat or s  a re  the  m os t  us ed  [ 12,  13] ,  this  is  because ,  they   are  base d  on  a  si m ple  deco upli ng   c urren t  co nt ro l. Wh ic h  is  based  on   i ns erti on  in to  the  sync hro nous   c urren t  c on t ro ll er  sc he m e  cou plin g  t erm s  of   the  in du ct io n  in  t he  aim   to   su pp ress  the  nonlinea r  ef fects  in  the  dynam ic   resp onse  of   the  sta tor  cu rr e nt  [14,   15] .  H oweve r,   these  m et ho ds   do   not  co ns ide r  the  co upli ng  te rm s  of   the  powe r  in ver te r.   It  assum ed  as  a  gain  d uri ng  the  desi gn  proc ess  a nd   they   com pen sa te   for  it s  eff ec ts  durin g  the   tur ning  of   t he  PI   par am et ers.   Hence   the  res earche d  decou plin g  act ion   betwee n t orq ue  a nd f lu x  is  not acc urat el y ac hieve d pra ct ic al ly  [ 13 ] .    In   order   to  i m pr ov e  dec ou pling   iss ues,   t his  p a per   has  pro po se d  a  ne w  dec ouplin g  m et ho d  that  m ai nly  con sist s  of  ins erti ng  i nto   t he  sy nchr onous  c urre nt  con t ro ll er  both   eff ect s   of  c oupling  te rm s  due  to  the   inducti on  m oto r  an d  m ulti - l evel  in ver te r.   Th us ,  t he  m oto r  an d  t he  power   i nverter   c an  be  c onsider ed   a  first   order sy ste m   m aking  t he  c ontr oller d e sig n ea sie r.     This  pa per   is  orga nized  into   fo ur  sect ion s .   In   the  first  sect ion ,  the  in duct ion   m achine  and   in ver t e r   m od el s  are  recall ed.   In   the  se cond  sect io n,   the  dec ouplin g  m et ho ds   are  presented .  CB - S VPW M  stra te gy   for   m ul ti - le vel inverte r  is e xpla in ed  in  the t hir d sec ti on .  Finall y, sim ulatio n r esults t hro ugh  com par ison are  g ive n.       2.   MA T HEM AT ICA L  MODE L OF I N DUC TION  MOT O R  FE D  BY  P WM VSI  I NVE RTER  UNDER  FO C  C O NTR OL   2 .1 .  St ru cture   of t he   S ys te m  Model             Fig ure   1. Ba sic   Bl ock D ia gr a m   of  Fiel d Or i ented  C ontrol     Fig ure   2.  P ri nc iple o f  Fiel d O riented  Co ntr ol       2 .2 .  M athema tical   Model s  of  In duct i on   M otor  an d   In ve rter   The  basic  bl oc k  diag ram   of   FO C  strat egy  for  el ect ric  dr ive   syst e m s   is  sh ow n  in  Fi gure   1.  The  basi c   pr i nciple  of   F OC  is  to  c ontr ol  the  s pee d  or  to rque  of   a n  inducti on  m a chine  by  only   con t ro ll in g  the   sta to r   current  of   t he   inducti on  m a chine  [16,1 7].  In   t he  case  wh e re  on ly   th e  sp ee d  is  ne eded   t o  be   co ntr olled   ( Fig ur e 1),  t he  ref e ren ce   com pone nt s  of   t he  current  c ontr oller   * sq i    an d   * sq i   are  r especti vely   obt ai ned   from   the  no m inal  flu x  and  sp ee d  c ontr oller.  T he  synch ron ous  c urren t  c ontr oller  com par es  t hese  values   to   tho se   m easur ed   f r om  the  t hr ee - phas e  cu r re nt  ( ,, a b c i i i   )   a nd  tra ns f or m ed  to   sd i   an d   sq i   .  It  gen e rates  t he  r efere nce  values  of  volt age  com po ne nts   ( d cm v   and   q cm v )  that  are  transfor m ed  to  the  m od ulati ng  sign al s  ( v   and   v   )  of   the  P W M  m od ulator .    The  or i ented  r otor  fl ux   r     is  local iz e d  from   the  sta t or   by  the  an gu l ar  da   ( Fig ur e   2) .    da   is  est im a te d,   a nd  use d  with   the  c oor din at e  t ran s f or m at ion   syst e m s.  The  m ul ti - le vel  inve rter  is  c ontr olled   by the  P W M  m odulato r  a nd s upply t o  i nduct ion  m achine a   con t ro ll ed  volt age a nd freq ue ncy.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr oved Fi el d - or ie nte d  C ontrol for  PWM  Multi - le vel In ve rte r - f ed In duct ion …   ( D. L.  M on Nzo ngo )   483   The  dy nam ic s   of   in duct ion   m oto r   in  the  synch ron ou sly   ro ta ti ng  d - q  fra m e  is  giv en,  su ch  as  i n  li te ratur e [ 1]:     .         dx A x B u dt =+   ( 1 )     W it h  , , , A B x u are  descr i bed as it  foll ows:       1 1 1 2 1 3 1 4 1 2 1 1 1 4 1 3 3 1 3 3 3 4 3 1 3 4 3 3 0 0 a a a a a a a a A a a a a a a        1 1 0 0 00 00 b b B       e sd e sq e rd e rq i i x          2 11 12 13 14 ,, ,, sm da s s r r mm r s r r s r RL aa L L L LL aa L L L L w s s t w s t s = - - = = - = -   31 33 34 2 12 1 , , , 1 , 1 . m sl rr m ss L a a a L bb LL w tt ss = = - = = = -     Unde r  FO C, rq   is zero  at  the ste ady stat e, an d  the r ot or  f ie ld  ori ented  co ntr ol is achieved  wh en   d rd r l l = r   is   const ant [9] . S o,   from  eq uatio n  ( 1 )   the  stat or  vo lt age  co m ponen ts  in  sy nchr onous  fr am e are d e r ive d  as:     s d m r d s d s s d s d a s s q r d i L d v R i L L i d t L d t l s w s = + + -   ( 2 )   sq m sq s sq s d a rd d a s sd r di L v R i L L i d t L s w l w s = + + +   ( 3 )   rd m sd Li   ( 4 )   2 m e m s d r e f s q r L p T i i L   ( 5 )     Eq uations   ( 2)   t o  ( 5)   re pr ese nt   the  m at he m a tical   m od el   of  the  in du ct i on   m achine  in  sy nchr onous   fr am e u nder  F OC.  Con ce rn i ng   t he   power   in v e rter,  w hich  is  th e  m ulti - le vel  i nv e rter,  it s  m od el   is  ob ta ine d  in  this  pa per  by  t akin g  int o  acc ount  al l  the   ti m e  delay   existi ng   t o  m anag e   the  powe r  fl ow  betwee n  th e   sup ply  and   t he  in du ct i on   m oto r .  The se  tim e  delay s   are  due  to  the   dig it al   proces sing   bo a r d,   m e asur i ng   a nd  fil te rin g  dev ic es   m e s T   T meas   gate dri ve rs  a nd  death  ti m e u nits d r i ver T .   The  total   delay  tim e d ue t o  m ulti - le vel i nv e rter is:       /2 V S I r E d riv e r m e a s T T T T T   ( 6 )   Th us , dynam ical  m od el  of m ulti - le vel inv e rter is:     ( ) cm V S I s d s d s d d a V S I s q V S I K v v v T v sT w = - +   ( 7 )   ( ) . cm V S I s q s q s q d a V S I s d V S I K v v v T v sT w = - -   ( 8 )     Wh e re , c m c m s d s q vv   are  syn chro nous   d - q  vo lt age s  delive red   by  the  F O C.  VSI K represe nts  the  gai n  of  in ve rte r .   Accor ding to  ( 2), ( 3),  (7),  (8)   the m od el  o f  an  inducti on m oto r  fe d  by the  m ul ti - le vel inverte r  is represe nted  in   Figure   3 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   481   –   492   484       Figure   3. Bl oc k  Diag ram   of  a n Ind uction M otor Fe d  by  A  P W M  Inve rter       Fr om   Figure   3,   t he  c on t ro ll ed  vo lt age   is  app li ed   to  t he   inducti on  m oto r  t hroug h  th e  powe r   inv e rter.  O bs er ving  this   F ig ure  3,  the   volt ag e  in  d  a nd  q  a xi s  co ntents  nonl inearit ie s  w hich  a re  c ouplin g  te rm s   thr ough  the  m od el   of  the  power   in ver te r  an d  inducti on  m a chine.   T he refo re,  d  a nd   q - a xi s  current  com po ne nts   are  stron gly  dep en de nt  each  oth e r  [10,   12,  13 ] .  T hus,  in de pende ntly   con tr olli ng   the  c urren t  in  d  an d  q  axis  can  be  ac hieve d by ei ther  u si ng f e d - f orwar d m e tho ds  or   de couplin g  a ppr oa ches.       3.   SYNC HRON OU S  D E COU PLING  CURRENT  CONT ROLLE R   The  plant  m odel   of   a n  IM  m oto r  a nd  po wer  inv e rter  unde r  FO C  has  bee n  represe nted  i n  Figure   3.   It  sh ows  the  nonl inearit y  of   th e  ind ucti on   m otor  that  introdu ce  c ouplin g  between   t he  synch ron ous  curren t   com po ne nts.  T hu s ,  any  c ha nge  of   one  of  the se  com po ne nts   m ay   aff ect   the  dynam ic   of   th e  entire  syst em   [17 - 20 ] .     3.1.    C onven ti onal dec ou pli ng  c ontr oller   The  c urre nt com po nen ts  of dy nam ic  eq uatio ns  t hroug h  the   inducti on m oto r  are   sim plifie d  as :     sd s s s d d a s s q s d di L R i L i v dt s w s = - + +   ( 9 )   sq s s sq d a s sd sq di L R i L i v dt sw = - - +   ( 10 )     In   t he  d  an d  q  axis,  the   co upli ng   te rm s  betw een  the  t wo  ax es  are  resp ect i vely   def i ned  by   d a s s q Li ws and da s s d Li w ;  wh en  the  inv e rter m od el   is  not co ns ide r ed.   The  diag ram   blo c k  of   t he  conve ntion al   decou pling  cu rr e nt  co ntr oller  with   the  sy nchr onou s   vo lt age s  to  be   app li ed  t o  the  i nductio n  m oto r  is  represe nted  in  Fi gure   4.  The  po wer   i nverter  is  assum ed  to  be   ideal   so   it s  m od el   does  not  a pp ea r.  This   cu rr e nt  co ntr oller   is  easi er  to   be   i m ple m ented  us in g  a nal og i cal   or   dig it al  circuits  bu t a s it  h as  b e en  m entione d  a bove, t he  e xpe ct ed  dec oupli ng  featur e  is  no t  achieve d.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr oved Fi el d - or ie nte d  C ontrol for  PWM  Multi - le vel In ve rte r - f ed In duct ion …   ( D. L.  M on Nzo ngo )   485     Figure   4.   The   Bl ock   Diag ram   of  Co nventio na l  Decou plin g  PI   C on t ro ll er .       Fr om   Fig ur e   4, the  decou plin g  is acc om plished by c hoosi ng  vo lt age  co m m and s s uc h   as   :     ** i s s d p s d s d d a s q K v K i i L i s       ( 11 )   **                                           i s q p s q s q d a s s d K v K i i L i s      ( 12 )   wh e re ,  ,0 pi KK is t he  pro portio nal a nd integ ral g ai n  a nd , s L are  res pecti ve ly  the estim ated   values  of , s L .     3.2.    Pr oposed  sy nc hrono us  decoupl ing c u rrent c ontroll er    Pr e viously   the  decou pling   wa s  achieve d  by  add i ng   t o  the  P I  co ntr oller  jus t  the  coupling  t erm s  du e  to  inducti on   m oto r .  H ow e ve r,   it   has  been   dem on strat ed  t hro ugh  the  m od el in g  of   m oto r  an d  in ve rter  that ,   couplin g  te rm s   exist  du e  to  th e  ind uctio n  m oto r  an d  powe r  inv e rter  ( Fi gur e   3) .  Fig ure   5  sh ows  the  pro po s ed   decou pling  c ur ren t c on tr oller.  Th e b a sic  idea  o f  the  pro pose d  dec ouplin g n et work   (DN)  is  to  al so  consi de r  th e  pr ese nce  of  th e  nonlinea rity   of   t he  power  inv e rter  int o  the  cu rr e nt  co ntr oller.  T her e fore,  t he  dec oupli ng   current is  the n ac com plished   by cho os in g v ol ta ge  com m and s su c h  as:       * cm i s sd p sd sd d a sq d a V S I sq K v K i i L i T v s      ( 13 )   *   cm m i s rd s q p s q s q d a d a s d d a V S I s d r K L v K i i L i T v s L      ( 14 )   Wh e re t he dec ouplin g  te rm s ar e e qu al  t o     , m rd s sd c o m p d a sq d a V S I sq r Ld v L i T v dt L   ( 15 )   , m s rd sd c o m p d a d a sd d a V S I sd r L v L i T v L   ( 16 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   481   –   492   486       Figure   5. The   Bl ock   Diag ram   of  P rop os e d  D ecoupli ng  P I  C on t ro ll er .     Fr om   the  ab ov e  analy sis,  the  m od el   of   the  i nductio n  m oto r  and   powe r  in ve rter  are   not  re pr ese nted   in   Figure   5  for  t he   reas ons  of   cl arit y.  The   ne w   dec ouplin g  ne twork   ( DN)  is  highli gh te d   by  the  da sh e d  s qu are  in   Figure   5.   The   Figure   6  a nd  F igure   7  are   sim ulati on   res ults  of  FO C   us i ng  t he  d - q  represe ntati on   of  the   inv e rter   and  in du ct io n  m oto r.   The   in ve rter  total   delay   tim e  is   1 VSI T m s   and  the  gain  is 1 VSI K .  8 . 6 pi k   an d  530 ii k   are  res pecti vely   the  pr op or ti onal   and   inte gr a l  gain  of   sync hro nous   cu rr e nt   con tr oller.  T he  m oto r  par a m et ers   are s how n  Ta bl e I.   Al so, it  h a s b ee n  i niti al ized  as  foll ows: 0 17.4 sd IA , 0 1 . 2 4 5 sq I k A ,  0 1 2 4 . 5 / mech r a d s .       Table   1.  M otor  Sp eci ficat ion s   an d  Pa ram et ers   Sq u irr el Cag e  Ind u ctio n   m o to r  ( 5 0 Hz )   Rated  Power   125 0  hp   Rated  vo ltag e   4160  V   Pair  o f  po les   2   Stato r  resistan ce   0 .21   Ω   Ro to r  resistan ce   0 .14 6   Ω   Stato r  leak ag e ind u ctan ce   5 .2   Ro to r  Leakag e ind u ctan ce   5 .2   mH   Magn etizin g  ind u c tan ce   155   mH             Figure  6.   Nu m erical   Sim ulati on  of   D - Q   M odel   of  FO C  base d  C onve ntio nal  D ec ouplin g  P I  C ontrolle r .  (a)   Ele ct ro m agn et ic   To rque . (b)  D - A xis  C urr ent . (c)  Q - Ax is   Cu rr e nt . (d)   R otor  Fl ux     Figure   7.  Nu m erical   Sim ulati on  of F OC  bas ed   P r opos e d  Decou pling  P I  Con tr oller . (a)   Ele ct ro m agn et ic   To rque .  (b)  D - Ax is   Cu r ren t .  ( c )  Q - Ax i s  Curre nt . (d )  Rotor  Flu x .  Sp ace  Vecto r C arr ie r  base d  Modula ti on for M ulti le vel  Vo lt age  S ourc e I nv e rter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr oved Fi el d - or ie nte d  C ontrol for  PWM  Multi - le vel In ve rte r - f ed In duct ion …   ( D. L.  M on Nzo ngo )   487   The  resu lt s  s ho wn   i n  Fi gure   6  and  Fig ur e   7  ar e  the  dy nam ic   respo ns es o f   fl ux,  sync hro no us   c urren t  com po ne nts  a nd   t orq ue  ob ta ined  durin g  a  ste p  cha nge  in   the  loa d  to rque  at   0.1 s  f rom   0 em T to 0 /2 em T .   In  Figure   6,   the  r esults  wer e  obt ai ned   w he n  co ns ide rin g  the   conve ntion al   ap proac h  represe nted  in  Fig ure   4.   Th e   tor qu e   dist urba nce  a ppeare d  a t  0.1s  has   di rec tl y  influ enc ed   the  tra ns ie nt  sta te s  of  r otor  flu x  ( c r d r d fl )  and  the   two  sync hrono us   c urre nt  com pone nts   ( , cc s d s q ii )  and  al so   t he  em it t ed  to r qu e c em T .  This  be ha vio r   s hows  how   al l  the  par am et ers  are  influ e nce d  by  the  disturb ance  of  load  t orq ue  ap pear e d  in  q - axis .  As   con cl ud e d,   th e  axes   are stil l co up le d.   In  Fig ur e   7,   t he   sugg est e d  a ppr oac h  was   co ns ide red.  T he   sam e  distur bance  occ urred   at   0.1s  do es   no t  c ha ng e   the   be hav i or   of  th e  ro t or  flu x   ( p r d r d fl )  and  the  c urre nt  locat ed  i n  d - a xis  ( c sd i )  as  pr e viously .  Bu t   in  the  sam e  tim e,  the  dynam ic   beh a vior  of   the  cu rr e nt  in  the  q - axis   ( p sq i )  and  the  em it te d   ( p em T )  tor qu e  a r e   obviously   aff e ct ed  an d  ha ve  kep t  the  sam e  beh a vior  as  in   Figure   6.  Th us,  the  dec oupli ng   is  ac hieve d.  The   tor qu e  is the n  c on t ro ll ed  whil e the  flu x  is  kept  at the init ia l v al ue.         4.   MU LT I - LE V EL  IN VE RTE RS  F OR HI G H PO WER E LE CTRIC  D RIV E  S YS TE MS   Figure   8  re pr es ents  syst em a ti c   topolo gies  of  m ul ti - le vel  inve rter  avail a ble  in  industry.   Figure   8a  is   a  diag ram   of   three - le vel  neu t ral  point  cl am ped   ( NP C)  supp ly in g  a  high - pow er  in duct ion   m oto r .  T he   NP C   inv e rter  is  it sel f  supp li ed  t hroug h  a  twel ve - pulse   unc on t r olled  recti fier  associat ed  to  a   sh ifte d  t hr ee - ph a se   trans form er.  Each  le g  of  N P C  inv erte r  is  c on sti tute d  of  f our  isolat e d  ga te   base  tra ns ist or s  (IGBTs )  a nd   t w o  cl a m pin g dio de s [21 - 23 ] .    Figure   8.b  is  a  nin e - le vel  casc aded   H - bri dge.   It  is  const it uted  of  f our  m odul es  of   H - br i dg e   inv e rter   connecte d  in  s eries.  Eac h  m od ule  is  s upplie d  by  a  t hr ee - phase  recti fier.  The  recti fiers  of   eac h  H - bri dge  are   separ at el y  sup plied  to  t he  el ect ric  gr i d  thr ough  a  s hifted  m ul ti - wind i ng   trans form er.  The  s witc hing  s ta te s  of   the  H - br i dg e  c el l  can  be  fou nd   in  [1 ] ,  [ 21 - 23 ] .  A  fu ll   H - br i dg e  cel l  of   each  le g   pro vi des  three  le vels  of  vo lt age   (e. g.   - 1,  0,   1 )  as  th ree  three - le vel  N P C.  Nine - le vel  vo lt age   is  obta ined  by  co ns ec utively   co nn ec ti ng   in   serial  the  par ti al  H - br i dg e  cel ls of each  leg.   The  vo lt age  po sit ion   is  obta in ed  f ro m   the  vo lt ages V an d  V   (see   Figure   1).   I n  gen e ral,  the  t otal  ou t pu t  volt age   po sit io n  that  can  be  ge ne rated  by  a  m ulti - le vel  inv erte r  is  ob ta ine d  by 3 () s p l eve l Vn .  W he re   l e v e l n   is  the  inv erte r  nu m ber   of  the  le vel.  If   l e v e l n is  respec ti vely   three - le vel  an d  nin e - le vel,  the  possi ble  ou t pu t   vo lt age   po sit io ns   a re  res pecti vely   27  a nd  729.   The   volt age   posit ion  can   be   re pr ese nted   i n      fr am e.  It  is   us e d  to  deter m ine  the  switc hing  instan ce   of   m ulti - le vel  inv erte r,   as  well   as  the  co rr es pondin g  s witc hing  dev ic es  t o  tu rn  ‘on’   or  ‘ off’.  The  s patia l  ve ct or   of   th ree  a nd   nin e - le vel  i nv e rters  a re  s how n  in  Fig ur e   9a  an d  Figure   9b. Fr om   these figur es , it can  be  c onc lud e d  that t he nine - le vel in ve rter is m or e c om plex  to contr ol tha n   the th ree - le vel.           (a)   (b)     Figure  8.  Mult i - le vel  I nverter  Top ologies : (a )  N eutral  Po i nt  Cl a m ped  (NP C), (b )  Se ries - c onnected   H - br i dg e  ( C H B)                                                                                                                     IM   G r i d   2 V dc   2 V dc     1 S a   2 S a   3 S a   4 S a   1 S b   2 S b   3 S b   4 S b   1 S c   2 S c   3 S c   4 S c   30 o   Y   Y       IM   C e ll xa   C e l l yb   C e l l zc   v xa   v yb   v zc   1 , 2 , 3 , 4 x   1 , 2 , 3, 4 y   1 , 2 , 3 , 4 z   a   b   c   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   481   –   492   488         Figure   9.  S pac e  Vecto r  Re pr e sentat ion  of  O utput  V oltage   of  Mult i - le vel  Inver te r .    (a) T hr ee - le vel,  (b)   Nine - le vel.       T he  m ini m u m   DC - li nk  vo lt ag e re qu iri ng b y  m ul ti - le vel inverte r  is  obta ine d from  the d esi red o utput l ine  to  li ne  volt age  ( l l r m s V ).  It can be calc ul at ed  as:   1 2 1 n d c l l r m s l e v e l VV n   ( 17 )     wh e re  n dc V is  DC - li nk   volt age,   l l r m s V is  li ne  to  li ne  vol ta ge  of  in du ct i on   m oto r  w hich  re pr e sents  t he   m axi m al   vo lt age   that   ca n  be  ge ner at e d  by  t he  m ulti - le vel  in ver te r.  I n  t he  case   of  t hr ee   an d  ni ne - l evel  in ver te rs  sh ow n  in  Fig ure   6  an d  Fi gure   7  a nd  co ns ide rin g  th e  inducti on  m oto r  li ne   to  li ne   vo lt age   eq ual  t o  4. 16 l l r m s V k V   the   m ini m u m   dc - li nk   vo lt age  is  r especti vely   3 5883 L N P C dc VV   an d  3 1470 L N P C dc VV .  Thus,  the  DC - li nk  volt ag e   of the m ulti - le vel in ver te r de creases  w hen the  nu m ber   of level  inc reases.     4 . 1 .  Pr inci ple   of carrier   ba s ed sp ace  vecto r pulse wi de  mod ul at i on   f or  multi - le vel inver ter           Figure   10.  B as ic   Bl ock   Diag r a m   of  CB - SVP WM  Mo dula ti on Strate gy       A  car rier  base d  s pace  vector  pulse - width - m od ulati on   (CB - SVP W M )  re pr ese nted   in  Fi gure   10  i s   an  eq uiv al e nc y  of   sp ace  ve ct or   pulse - widt h  m od ulati on   (S VPWM )  [1,23].  The  pr in ci ple  of   CB - S VPWM   consi sts  to  gen erate   1 l e v e l N carrier  wav e s  and   to   com par e  them   at  each  tim e  to  a  se t  of   three - phase   m od ulati ng   volt age * * * ,, a b c m m m .   These  c arr ie rs   are  ve r ti cal ly   ph ase  s hifted ,  a nd  ar e  dispose d  i n  con ti nues   bands  ar ound  the  ref e re nce  zero.  The  res ults  of   the  com par iso n  are  then  decode d  an d  optim iz ed  in  order   t o  gen e rate  the  c orrect  gate  si gnal s  (CBP WM   pr i nciple) .  W i th  the  in duct io n  m o tor,   wh e r e  the  ne utral  point  is  floati ng,  a  zer o - seq ue nce  com pone nt  z V can  be  cal culat ed  fro m   the  m od ulati ng   th ree - phase  sign al s  an d  a dded  to  the  sam e  s ign al   to  def i ne   the  m od ifie d  re fer e nce   * * * * * * ,, a b c m m m . Ther e fore  the  ne w  com par iso n  res ul t   gen e rates  the  correct   gate  sign al s  c onform   to  CB - SV P W M  m od ulati on.   The  m od ulati on   in de x M and   the   fr e qu e ncy  in de x  f M   are  de fine d  by  eq uations  ( 18 )   a nd ( 19 ) .  T he  zer o - seq ue nc e  com po ne nt  is  def ine d  by  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr oved Fi el d - or ie nte d  C ontrol for  PWM  Multi - le vel In ve rte r - f ed In duct ion …   ( D. L.  M on Nzo ngo )   489   equ at io n  ( 20 ) .  c A , c f   are  res pecti vely   the  am pli tud e  a nd  f re quency  of  the   ca rr ie r  volt age  of  the  ref e re nc e   vo lt age  co m ing   from  the F O C si de (Fig ur e   1).     The   wav e form s  of   CB - SVP WM  ge ner at e d  us in g  Sim ulink   com m on   bloc ks   a nd   Ma tl ab   e m bed de d  functi on  blo c ks are  show n i n Fi gure   11.   * m c A M A   ( 18 )   c f cm f M f   ( 19 )   * * * * * * m a x ( ) m in( ) 2 a b c a b c z m m m m m m V     ( 20 )   * * * * * * * * * ,, a a z b b z c c z m m v m m v m m v   ( 21 )       The  wav e form s  of   CB - SVP WM  ge ner at e d  us in g  Sim ulink   com m on   bloc ks   a nd   Ma tl ab   e m bed de d  functi on  bl oc ks  are  s how n  i n  Figure 11.  Fig ure 11a  a nd  Fig ure 11 b  are   m ult i - carrier   an d  re fer e nces  wavef or m s   gen e rated  f or  t hr ee a nd  nin e - le vel in ver te r . T hey are  outp ut  vo lt age  of th re e an d  ni ne - le ve l i nv erte r  to polog ie s   config ur e d  a s  i n  Fi gure 8.   T he   res ults  obta ine d  in   Fig ure 11a   an d  Fi g11c  ar e  eq uiv al e nt  to   those   o btaine d  with   SV P WM  in  t he   li te ratur e.  W hile  tho se  obta ined  in  Fig ur e 11b  a nd   Fig ure 11d  a re  kn own  as   CB P WM.  The   inv e rter  with  ni ne - le vel  ge ne r at es  ou tp ut  volt age  wav e f or m s  cl os e  to  the  sine  ref e ren c e.   So ,  le ss  ha rm on ic s   are  pro pag at e d  in  the  winding s  of   the  i nduction  m oto r.   It  con si der a bl y  red uces  power   los ses  ins ide  the   inducti on m oto r  a nd cables a s  well  as the  to rque  rip ples.            Figure   11.  Ge ner at io n of  Wa vefor m s  of CB - SVP W M . ( a ) - (b): car rier a nd  r efe re nce sign al  o f  thr ee  a nd  nin e - le vel inverte r . (c) -   ( d) :  ph a se a  volt age  o f  th re e an d nine - le ve l i nv e rter       5.   SIMULATI O N RESULTS   To  ve rify the prop os ed deco upli ng  c urre nt co nt ro l sch em e,  Si m Po werSy stem s too lbox has been   use d  to  im ple m ent  a  4.16  kV  in duct ion  m oto r  su ppli ed  by  a   nin e - le vel  C HB  in ver te r .  The  decou pled   current  con t ro ll ers  pr e viously   desig ne d  an d  sim ulated   ha ve  bee n  use d  to  this  sim ulati on .  T he  C B - SVP W M  ha s  been   i m ple m ented  as p r ese nte d  ab ov e . T he  w hole  d ri ve  has bee n  co nfi gure d  a s shown in   Fig ur e   1.   T he par a m et ers  of the m oto r a r e k e pt as sh own  in  Ta ble I .   As  it   has  been  m entioned,  th e  m ai n  ob j ect i ve  of  this  si m ulati on   is  to  com par e  the  two  dec oupli ng   current  co ntr ol  ap proac hes  duri ng  a  ste p  c hange  i n  t he  l oad  to rque  at   0.1s  from   to .  And  t he   com par ison   is   then  achieve d  by  obser ving  the  transie nt   of   the  ro to r   flux   com pone nt  ( rd c , p rd )  an d  el ect ro m agn et ic  torq ue  ( em c T , p em T )  as  sh ow n  in  Fi g ur e  12.          0 em T 0 /2 em T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   481   –   492   490         Figure   12.  Si m ula ti on  c om par iso n of co nv entional   ( . c )  and   pro pose d   ( . p )  decou pled   current c ontr oller  for  F OC  of in duct ion m oto r  s upplied  by  m ulti - le vel  inv e rter. (a)  Ro tor flu x   ( c rd , p rd ) , ( b)  el ect ro m agn et ic   tor qu e   ( c T e m , p T e m ) ,   (c) r otati ng   sp ee d   ( c r n , p r n   ) ,  ( d) () r T e m f n .     Figure 13. S im ulati on  c om pari so n o f  c onve nt ion al   ( )  an d pro po se d  ( )  dec oupled   current c ontr oller  for  F OC. (a ) d - axis stat or c urr ent   ( c sd i , p sd i ),   ( b)   q - ax is  sta tor  c urren t  ( c sq i , p qd i ) , ( a ) d - a xis st at or   volt age   ( c sd V , p sd V ) , (b ) q - a xis sta tor  c urre nt   ( , )       Be cause  of  the   co ntr ol  pr inci ple,  sta to r  c urr ent  c om po ne nts  in  sync hrono us   fr am e  ( Fig ure   13 a   a nd   Figure   13b)  ha s  bee n  m easure d  for  eac h  cas e,  a nd  are   note d  ( c sd i , c sq i )   f or  the   co nv e ntio nal  a ppro ac h  a nd  ( p sd i , p sq i )  f or  the   pr opose d  a ppr oach.  In  the  s am e  m ann e r  t he  vo lt a ge  c om po ne nts   in  sy nchr onou s  f ram e  ( c sd v , c sq v )  and ( p sd v , p sq v )     ha ve b een als o  m easur ed  and a re  represente d  in   Fig ur e   13c a nd  Fi gure   13 d.   The  co rr es pondin g  three - pha se  and   cu rr e nt   of   sync hrono us   cu rr e nt  an d  vo lt age  are  m easur ed   thr ough  the  w ind in gs   of   a  4.1 6kV  in duct ion   m oto r  a nd   are  re pr ese nte d  res pecti vely   in  Figure   14a - b  a nd   Figure   15a - b.   Finall y,  dyna m ic   value   of   current pc i a s a s a ii  and   vo l ta ge   pc v a s s a s a vv  com pen s at ion   ha s   resp ect ively   be en  rec orde d  as  show n  in  Figure   14c  a nd  Fig ur e   15c.   Ob se r ving  th ese  fig ur es ,  f ol lowing  con cl us io ns   c an  be  m ade:  (1)  the   propo sed  a ppr oach  eff ect ively   de couples  t he  flux  to  t he  t orqu e   by   m ai ntaining  t he  curre nt   p sd i inv a riant du rin g  th e   var ia ti on  of  t he  load to rque.   This  ca n  be   se en  t hroug h  Fi gure   12a an d  Figure   13b;   ( 2) w he n  t he  dec ouplin g  is  ac hieved, only   the  d - a xis  cu rr e nt  and   fl ux  are  di ff e ren t  to  the  value  obta ine d  us ing   the  c onven ti onal   ap proach.  This  m e ans  the   tor qu e  em itted,  ro ta ti ng  sp e ed  are  the  sa m e  fo r  both  m et ho d  ( Fig ure   12   an d  Fig ur e   13);  (3)  in  a - b - c   pc i a s a s a ii  in  Fig ure   14 c   and  pc v a s s a s a vv  prov e   the   co ntributi on  i n  te rm   of  cu rrent  a nd  volt ag e  of  t he   su ggest e d  a ppr oach.       . c . p c sq i p qd i Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.