Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   6 ,  No . 2,  J une   2 0 1 5 ,  pp . 37 0~ 37 5   I S SN : 208 8-8 6 9 4           3 70     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Control of Indirect Ma trix Converter by  Using Improved SVM  Meth od      N .   La va nya ,  M .  V e nu   Go pa la  Ra Department o f  Electrical  and  Electronics Engin e ering, K . L. University , Ind i     Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Sep 17, 2014  Rev i sed   Mar  27 , 20 15  Accepted Apr 18, 2015      A novel space  vector modulation (SVM method for an indirect matr ix   converter (IMC)  is used to  redu ce  th e common -mode voltag e  (C MV) in the  output.  The pro cess of selecting  require d active vectors  and to  d e scribe the  switching sequ e n ce  in th e inv e rter st age of  th e IMC is  expla i ned in  this   paper. Th is novel SVM  m e thod u s ed to  decrease t h e peak -to-peak  am plitud e   voltag e  of CMV without using  an y   exte rnal hard ware.  The o t her  advantag of this SVM method is to  redu ce the total h a rmonic distor tion  of  line-to -lin output voltage. This ne w mo dulation  techn i que is easily  implemented   through simulation and  its res u lts are  used to  demonstrate  th e improved   performance of  the inpu t/outpu waveforms.        Keyword:  Active vectors and  zero vectors   C o m m on m o d e   v o l t a ge  r e du ction  Indirect m a trix conve rter  Space vector m odulation  Tot a l  ha rm oni c di st o r t i o n   Vo ltag e  tran sfer ratio   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r N. Lava ny a,   R e search  Sc ho l a r,  Depa rt m e nt  of  El ectrical and Electronics  Engineeri n g,  K . L.  Un iv e r s i ty ,  In d i Em a il: lav a n y a.n a n n a p a n e n i @k l u n i v e rsity.in       1.   INTRODUCTION   M a t r i x  co n v ert e rs (M C s pr o duce  ac  out put s wi t h   vari a b l e  m a gni t udes a n d  f r eq ue nci e s fr om  an ac  powe r supply. These m a trix converte rs ha ve recei ved  si gni ficant consi d eration si nce  they provi de  fairly  sin u s o i d a l inpu t/o u t p u t  wav e form s as  well  as b i d i rection a l p o w er flow.  In  add itio n, the MCs h a v e  b e tter   reliab ility an d   a co m p act d e sig n   du e to  t h e ab sen ce  o f  larg e electro lytic cap acitor at  in term ed iary en erg y   stora g e. T h ese  topologies of  MCs are  classified into t w o t y pes: the conv en tio n a l o r  d i rect  m a trix   co nv erter  (DM C )  an d t h e  indi rect m a trix c o n v e r ter  (I M C ) [ 1 - 5 ] .   Thi s  t o pol o g y  of  IM C  i s  a gr o up  of  p o w er s w i t c hes  whi c h i s  anal og o u s t o  t h con v e n t i ona l   rect i f i e r/ dc -l i n k/ i nve rt er t o po l ogy . Th e po w e r ci rcui t  of I M C  consi s t s  of  a rect i f i e r st age and a i nve rt er st age .   A si bi di rect i onal  s w i t c hes  are use d   fo r t h e rect i f i e r sta g e and the i n verter  stage  has six unidi r e c tional  swi t c hes as s h ow n i n   Fi g u re  1. B y  usi ng  I M C  one ca g e nerat e  sam e  inp u t  an out pu t  wave f o rm s sim i l a r t o   D M C [6 ].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   370  –  3 75  37 1 Va Vb Vc DC L i nk  V o ltage P n Sap Sbp Scp San Sbn Scn S1 S3 S5 S4 S6 S2 Re ctifier s t age I n ver t e r  s t ag e B i  dir ection a sw it c h Unidir ection a swit ch T h r ee P h as e Lo ad Input Filter ia ib ic iA iB iC A B C g g     Fi gu re  1.  A  To pol ogy   o f  a n  I n di rect  M a t r i x   C o n v ert e r       In add itio n, th i s  IMC topo logy h a t h e ad v a n t ag es as  fo llow s   [7 ].  1)   A si m p l e  com m ut at i on a n d  c l am p ci rcui t  f o ove rv ol t a ge  p r ot ect i o n i s   pr o v i d e d .   2)   Th ere is a  po ssib ility o f  redu ctio n   o f   power  switch e s i n  th e rectifier stag e.  3)   There is a  possibility of  m odified t opology according to a  given a pplica tion,  for exam ple, to i m prove the   q u a lity of th o u t p u t , to supply a th ree-ph ase un b a lan c ed  l o ad, to  d r iv e variou s three-phase lo ad s and  t o   increase t h voltage trans f e r  ratio m o re than  0.866.  In p o w er c o n v e rt ers, com m on-m ode v o l t a g e s (C M V ) d u t o  t h e hi g h -s pe ed p u l s e wi dt h   m odul at i o n   (P W M ) i n t r od uce m a ny pro b l e m s  i n si de an el ect ri cal syste m . The CMV causes the followi ng:  W i nding  fai l u re  of m o t o r ,  det e ri orat i o n o f  bea r i n g a nd el ect ro m a g n e tic in terferen ce.  Hen c e, the redu ction  of CMV  with in  t h p o wer co nv erter is  i m p o r tan t This pa pe r propos es a new  S V M m e thod to dec r eas e t h e  CMV, to im prove the  quality of  out put  vol t a ge a n d al s o  t o   red u ce t h e  num ber  of s w i t chi ng  st at es i n  t h e i nve rt er st age. T h e m e t hod  w h i c h i s   pr op ose d   i s  based  o n  t h e  t h ree act i v v ect ors i n st ead  of  fo u r whi c i s  used  i n  t h e  s t anda rd  SVM   m e t hod.  The  ef fect  o f   t h st an da rd   S V M   m e t hod o n  t h e out p u t  per f o r m a nce and a com p arat i v eval uat i o n o f  t h e TH D are di scusse d   in  ord e r t o  identify th e effectiv en ess  o f  th new SVM m e th o d     2.   NEW S V M   METHO D     The  ne w S V M  m e t hod  use s  a  gr ou o f  t h ree  nei g h b o r   act i v e vect ors   t o  sy nt hesi ze t h refe rence  out put  v o l t a ge  vect o r The  m a xi m u m  val u e o f  C M V  i s  r e d u ced t o   42 onl y  by  a ppl y i n g  t h e act i v e  vect o r s i n   t h e i n vert er  st age f o r ge ne ra t i ng t h e  re fere nce  out put   v o l t a ge vect or . T o   ove rcom e t h e l i m i t a t i ons o f  t h e   st anda rd S V M   m e t hod, su ch  as, l i n e-t o -l i n e  out p u t  v o l t a g e  havi n g  hi gh  ri p p l e  and t h i nve rt er st age  havi ng  h i gh  sw itch i ng lo ss at th e i nver t er  stag e ,  a  PWM technique  is applied at the  i n vert e r  st a g e [ 1 ] .  T h i s  t e c hni que  u s es a gro u p   of th r e e n e i g hbou r activ v ector s to g e n e r a te a r e f e r e n ce  o u t pu t vo ltag e  v ect o r . In  t h n e w   SV m e t hod  t h e i n v e rt er st a g e sect ors  are  de fi ne d  di f f ere n t l y  as  com p ared  wi t h  t h e st a nda r d  S V M  m e t hod.  T h es e   sect ors are  def i ned by  usi ng  t h ree nea r est  act i v e vect ors i n  or de r t o  ge n e rat e  t h e refer e nce o u t p ut  v o l t a ge   vector. T h e space vector divi sion int o   six se ctors a nd t h e group of three s e lected active vectors in eac h sector  are s h o w n i n  F i gu re  2.   The propose d   SVM m e thod  can be illustrat e d by ass u m i n g  the de sired  output voltage a nd t h e input  current  space  vectors t o   be  l o cated  in   sector  1(- /6   α o  /6  ,  /6   α i  / 6 )[ 2 ]  .  The c o m b ination  of th e two a c tive vectors  I ab  and I ac  are  us ed to  ge nerate  the re fere nce i n put current   vect o r  i n  t h re ct i f i e r st age w h i c h i s  si m i l a r t o  t h at  o f  t h e st anda r d  SVM   m e t hod.  Th ree  act i v e vect o r V 6 , V 1   and V are  u s ed  in th e i n verter stag e to   g e n e rate th re fere nce voltage  vect or (refe r  to Figure  1).  Th e sw itch i ng   sequ en ce  of  thr ee v ect o r s i n   secto r   I  is 101- 100 -1 10- 110 -1 00- 101  and  t h e sw itch i ng   sequ en ce in  secto r  I I  is 11 0-0 10- 100 -1 00- 01 0-1 1 0  ar e assu m e d .  W h en  th e r e f e r e nce ou tpu t  v o ltag e   v ector   chan ges  fr om  sect or I t o  sect o r  II , d u ri ng t h e  gi ve n t i m e , t h e swi t c hi n g  st at e i s  change d f r om  101 t o  1 1 0 . T h sel ect i on o f  t h e swi t c hi n g  se que nce  of  the  active vector i n  all six vectors  is properly selected as shown in  Tabl e 1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     C ont r o l  of   I ndi rect  Mat r i x  C o nvert e by  usi n Im pr oved  S V M Met h o d   ( N . Lav any a)   37 2     Fi gu re 2.   The  R e fere nce Out put  V o l t a ge Ve ct or Ge nerat i o at   t h e   I n vert e r   St a g e by   Usi n g   Ne w SVM   Meth od      Tabl e 1. In ve rt er  st age   s w i t c h i ng seq u e n ce   Output sector   Switching sequenc 1 101- 10 0- 110- 11 0- 100- 10 1   2 110- 01 0- 011- 01 1- 010- 11 0   3 100- 11 0- 010- 01 0- 110- 10 0   4 010- 01 1- 001- 00 1- 011- 01 0   5 011- 00 1- 101- 10 1- 001- 01 1   6 001- 10 1- 100- 10 0- 101- 00 1       The Swi t c hi n g  l o sses are gre a t l y  affect ed by  t h e num ber of s w i t c hi n g  com m ut at i ons.  Fi gu re 3 an d   Fi gu re  4 s h ow   t h e di ffe rent  s w i t c hi n g   pat t e r n of  t h st an d a rd  SVM  m e t h od  an ne w s v m   m e t hod  [4] .           Fig u re 3 .   Switch i ng  p a ttern  of th inv e r t er  s t ag e   w ith  th e S t an d a rd  SV M me th od          Fi gu re 4.   S w i t c hi n g  pat t e rn   o f  t h ne w SVM  m e t hod       From  the switching pattern it is easily obs erve d this for the new S V M m e thod each  powe r switch  doe not  c h a n ge i t s  st at du r i ng t w o  t o  si x   sect ors  i n  t h e i nve rt er  st age.   We ca n see  t h at  t h e s w i t c h a s n o   swi t c hi n g  com m u t a t i ons d u ri ng sect ors  1 a nd  4.  Hence ,  t h e ne w S V M  m e t hod i s  use d  t o  red u ce t h num ber  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   370  –  3 75  37 3 of  swi t c hi ng  c o m m ut at i ons.  There f ore,  by  usi n ne w S V M  m e t hod t h po wer  s w i t c hi n g  l o sses c a be   reduce d in the  inve rter sta g e.  The sy nch r oni zat i on    bet w e e n t h e  s w i t c hi n g  st at of t h r ect i f i e r an d t h e  i nve rt er  st ages  of  t h e  ne SVM  m e t hod  a r e s h o w n i n  Fi gu re  5.         Fi gu re  5.  The   new  S V M  m e tho d  s w i t c hi ng   pat t e rn       In the inverter stage, the gr oup of three a c tive vectors  V 6 , V 1  and V 2  are used to gene rate the   refe rence  o u t p ut  v o l t a ge  vect or  by  a ppl y i n g  d u t y  cy cl es d 6 , d 1 , and   d 2 re spectively. T h erefore ,  the  re ference  out put  v o l t a ge can be gene rat e as:     V ref   = d 6 V 6 +d 1 V 1 +d 2 V   The s w itching patterns  of t h e inverter sta g e are  di v i d e d in to  two   grou p s  sim ilar to  th at o f  th st anda rd S V M   m e t hod. I n  t h e i nve rt er st age, v o l t a ge v ect ors are ar r a nge d i n  a d o u b l e -si d e swi t chi n g   sequence:   V 6 -V 1 -V 2 -V 2 -V 1 -V 6 . In t h rectifier stage ,  active curre nt  vector I ab  is  ap p lied and  the first sid e   sw itch i ng  sequen ce  V 6 -V 1 -V 2  is app lied  in th e inv e rter stag e.  Th duty cycles for the t h ree active  vect ors  V 6 V and V 2  are calcu l ated   b y  mu ltip lyin g   d 1 , d 2  and  d 6  with d ab , as s h o w be l o w:      d 1ab =d 1 .d ab ; d 2ab =d 2 .d ab ; d 6ab =d 6 .d ab     During the  active vect or, I ac   wh ich  is ap p l i e d  to th rectifier stag e and   th e seco nd  si de switch i ng  sequence  V 2 -V 1 -V is  g i v e n  in th e inv e rter st ag e.  From  t h e Tabl e 2, i t  i s  o b se r v ed t h at  t h va l u e o f  C M d e pen d o n  t h val u of t h e i n put   vol t a ge  and t h e switching states of the rectifier a n d inverter  sta g es. The  pea k   CMV is not affected  by the desire out put   fre q u e n cy  and   vol t a ge . T h peak  v a l u of  C M f o r t h e  ne SV M  m e t hod  i s   1/ 3 t h e  i n put  p h ase   vol t a ge  m a gni t ude  w h i c h  i s  s h o w n i n  t h Fi gu re  6.       Table 2. Peak value of  CMV  T h e peak CM I nput cur r e nt vector   1, 3, 5 2, 4, Output   Voltage  Vector   V 0   3/2V i  -  V i   V 7  V i  - 3/2 V i   V 1 ,V 2 ,V 3 ,V 4 ,V 5 ,V 6  1/ 3 V i  -1 / 3 V i                                                                          Fi gu re  6.  C o m p ari s on  o f   pea k   val u o f  C M V f o r st a nda rd   SVM  a n d  Ne w  SVM  m e t h o d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     C ont r o l  of   I ndi rect  Mat r i x  C o nvert e by  usi n Im pr oved  S V M Met h o d   ( N . Lav any a)   37 4 3.   R E SU LTS AN D ANA LY SIS  The per f o r m a nce  of   t h e ne w SVM   m e t hod  i s   eval uat e d by  usi n t h e   t o t a l  harm oni c di st o r t i on (T HD for th e lin e-t o -lin o u t p u t   vo ltag e Th e THD of t h lin e-t o -lin e ou t p u t   vo ltag e wh ich  co n t ai ns bo th   fu n d am ent a l  and  ha rm oni c c o m pone nt s, i s   defi ned  as:     THD=        Whe r e V 1  i s  t h e f u n d am ent a l  com pone nt  a n d  V rm s  is th e root  m ean  squ a re  o f  th e lin e-to-lin o u t p u t   vo ltag e The ne w S V M   m e t hod i s  sho w n t o   gene rat e  a sm al l  h a rm oni c com pone nt , acc or di ng t o  t h e fast   Fo uri e r t r a n s f o r m  (FFT) o f  t h e C M V as c o m p ared wi t h  t h e st an dar d  S V M  m e t hod  w h i c h i s  s h o w i n  t h e   fo llowing  sim u latio n  resu lts i n  Fi g u re  7 .             Figure  7.   W a v e fo rm  of I n put   vol t a ge , C M V   and  i t s  FFT  at   f=5 0 H z   by  usi n g  ne SVM   m e t hod       4.   CO NCL USI O N       The re d u ct i o n  of C M by  usi n g t h new  SVM  m e t hod  fo r IM C  i s  p r o p o sed i n  t h i s  pape r.  I n   addition, this  m e thod is also used  to  decre a se the total harm onic distor tion in orde r to control the IMC ove t h e f u l l  out put   vol t a ge  ra nge  [ 2 ]  [3] .  Si m u l a t i on r e sul t s   are pr o v i d e d   t o  de m onst r at e the effective n ess  of the  pr o pose d  m e t hod .       REFERE NC ES   [1]   J.W. Kolar, T. Friedli, J. Ro dr iguez, and P.W. Wheeler, “Review of  three-phase PWM  AC-AC converter   topologies”,  IEEE Trans. Ind. Electron. , vo l. 58,  no. 11 , pp . 4988 –5006, Nov. 201 1.  [2]   Tuy e n D.  Nguy en ,  Hong-Hee Lee “A New SVM Method for an Indirect  Matrix Converter with Common-Mod e   Voltage Redu ction”,  I E EE Transaction  on Industrial Informatics vol. 10 , no . 1 ,  Feb 2014.  [3]   M. Rivera, J. R odriguez, B. Wu J.R. Espinoza, and  C. A. Rojas, “Current contro l for an  ind i rect matrix conver t er        with fi lter  reson a nce  m itig ation IEEE Trans. In d. Electron , vol.  59, no . 1 ,  pp . 71 –79, Jan .  2012   [4]   M.Y. Lee, P. Wheel er,  and C. K l um pner, “Space -Vector m odulat ed m u ltil evel  m a trix  conver t er”,  IEEE T r ans. In d.  Ele c tron , vol. 57 , no .10, pp. 3385 –3394, Oct. 201 0.    [5]   X. Liu, P.Wang, P.C.  Loh, and F. Blaabjerg, “A compact three-phase  single- input/dual-ou tput matrix converter”,  IEEE Trans. Ind .  Electron , vol. 5 9 , no . 1 ,  pp . 6–1 6, Jan .  2012 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 0 8 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 2 -6 0 0 -4 0 0 -2 0 0 0 20 0 40 0 60 0 Ti m e ( s e c ) I n put  V o l t age( V o l t s ) 0 0. 0 2 0. 04 0. 06 0. 0 8 0. 1 0. 12 0. 14 0. 1 6 0. 1 8 0. 2 - 150 - 100 -5 0 0 50 100 150 Ti m e  ( s e c ) Vo l t a g e  ( V ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 H a r m on i c  or de r F u n dam en t a l  ( 6 0H z )  =   4 92. 9 ,  T H D =  17 . 6 5 % M a g  (%  o f F u n d a m e n ta l) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   370  –  3 75  37 5 [6]   Pawel Szczesni ak, “ A  com p arison betw een two average m odelling t echniq u e s  of AC–AC p o wer converters IJPEDS , Vol. 6,  no. 1 ,  Mar c h 20 15.  [7]   Derick Mathew, Athira P Ashok , Bincy  M Math ew , “Venturini Method based Matrix Converter”,  IJPEDS , V o l. 6 ,   no. 1  March  201 5.      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       N. Lavany a  currentl y  working  as  a res earch  s c holar in K.L univers it y, V ija yaw a da . S h e   obtain e d her  masters degree fro G Naray a nama institut e of science  and technolo g y , H y derab a d ,   in 2010 and  also Bachelor ' s  d e gree  from Bhoj Redd y  Eng i neering Co lleg e  for Women,   H y der a bad  in 2 007. Reas earch  areas  inter e sted  are power  electron i cs,  Electr ical machin es,  Renewabl e ener g y   s ources .             Dr.  M Venu Gopala Rao  at  pres ent is  P r ofes s o r & Head,  Departm e nt of  Ele c tri cal  &   Electronics Engineering ,  KL University , Guntur and Andhra Prad esh, India. He o b tain ed M.E in  Electrical Power Engineering f r om M S Univ er sity , B a roda,  India in 1999 and M.Tech in   Computer Science from JNTU  College of Engin eering ,  Kakinada, India in 200 4 and Doctoral  Degree in  Electr i cal & El ectronics Engineering f r om JNT Univ ersity , H y der a bad, India in  2009.  He published more than 42 papers in various Na tion a l, International Conferen ces and Journals.  His research  int e rests ac cum u late  in the  ar ea of P o wer Qualit y,  S m art Ele c tr ic Gr id, Distribu tion  S y s t em  and  El ec tric al M a chin es .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.