Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l. 5,  N o 1 ,  Ju ly 20 14 , pp . 12 9 ~ 13 I S SN : 208 8-8 6 9 4           1 29     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  Application of AGPU  for Matrix Converters       Nithin T  Abraham, C.A Pr adeep  Kum a r, Shaem Liz b eth Mathew   Departem ent  of  Ele c tri cal  and  E l ectron i cs  Eng i ne ering,  Karun y a   Univers i t y ,  Coi m b atore,  Tam i l   Nadu, Indi a       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Dec 11, 2013  Rev i sed   May 25 , 20 14  Accepte J u n 2, 2014      A simple PI con t rol loop for th e matrix  conver t er s y stem is designed in th sim u lation to  m a intain  a  constan t  output  vo ltag e  inspite of  an y  dis t urbance in   the source. The single phase matrix  converter emplo y s a modified safe- com m u tation str a teg y ,  which  res u lts in  the  elim i n ation of  volt a g e  spikes on   switches, witho u t the need of a snubber  circuit when there is an inductive  load being utilized. Th is  is facilitated through  the proper switching contro algorithm. Th sine PWM pulses are ge ner a ted  as switching pulses to the  converter to  r e d u ce the  THD.   Keyword:  Matrix  Conv erter,    si nus oi dal  P W M ,   Avi a t i o n gr o u n d  po we r uni t ,    PI  con t r o l l o op.  Copyright ©  201 x Institute of Ad vanced  Engineering and Scien c e.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Nith in  T Abrah a m ,     Depa rtem ent of Electrical a n d  El ect ro ni cs E n gi nee r i n g,   Karun y a Un iv ersity,  C o i m bat o re,Ta m i l  Nadu, I ndi a   Em a il: n ith in th a m arav elil@gmail.co m       1.   INTRODUCTION   The topol ogy  was first introduced  by Gyugyi and Pelly [1 ] in 1976.  In 1980, Ve nturini and Alesina   descri bed i t  as a general i zed t r ansform e r – a bi di rec t i onal   si nusoi dal  wav e form  frequen c y  convert er [ 2 ] .  The   si ngl e phase v e rsi on cal l e d the Si ngl e-p h as e M a t r i x  C onvert er (SPM C )  was fi rst  i n t r od uced by  Zuc k e r ber g er   [3] ,  based on  t h e di rect  A C -AC  convert er.St a t i c  powe r  conve rt ers are used fo m a ny  appl i cati ons, l i k freq u ency  con v erters for m o tors, u n interru p tible power  suppl i e s, (UPS),  general  po wer suppl i e s and al so fo r   Gro u n d  P o we Units (GP U )  f o r airplanes.A  n e w co ntrol stra tegy  for a  G r o u nd  Po wer  Unit  (GPU ) is  pr op o s ed,   whi c h i s  used  for ai rpl a nes o n  t h e gro u n d  [ 4 ] .  The cont rol  i s  perform ed  by  a PW M - m odul at or and a v o l t a ge  cont rol l e r. It  i s  concl ude d f r o m  t h e experim e nt s, t h at  t h e new cont r o l l e r g i ves a hi gh  out put  per f o r m a nce bot h   stationary and dynamic, at  linear  an d  non -lin ear lo ad s.In  th is p a p e r, a SPMC with a m odified  safe- com m u t a t i on techni que t h at  g i ves an o u t put   of  11 0V/ 4 00  H z , i s  desi gned.   As t h i s  m odi fied safe-com m u t a ti on   schem e  pro v i d es a cont i n u o u s  curre nt  pat h  i n  dea d  t i m e  al so, i t  el im i n at es vol t a ge s p i k es on  swi t c hes w i t hout   t h e need fo r a snub ber ci rcui t .  The ope rat i on and  basi c behavi ou r of t h sam e   i s  exam ined t h r o u gh co m put er  sim u l a t i on. A vol t a ge cont rol l er gi ves t h e inp u t  t o  t h m o dul at or, w h i c h  cont rol s  t h e con v ert e r. The Si ngl Phase M a t r i x   C onvert er, f o r  vol t a ge appl i c at i ons l i k t h e AGPUs, re qu i r es st ep-chang ed freq u ency , and/ o r   vari abl e  am pl itude.       2.   AVI ATIO N    GRO U ND   P O WER   UN IT     An  Av iatio n   Grou nd  Po wer Un it sup p lies airp lan e with external  electrical  power,  d u ri ng st o p o v er   in  airp o r ts.  Its  ap p licatio n  is p r esen tly well-estab lish e d   in  airp o r ts all o v e r th e wo rld ,  primari l y d u e  to   airp o r reg u l atio n s  th at req u i re th e tran sitio n  to  ex tern al p o w er  i n  o r der t o  red u ce a c oust i c  noi se and ai r p o l l u t i on from   j e t en g i n e s. GPUs h a v e  bo th  b een  bu ilt a s  ro tatin g   m o t o r-g e n e rato r syste m s an d  re cen tly  as so l i d -state  conve rters. The solid-state solution ha s been accepted as a  standard, due to  low m a intenance, lower pric e, high  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94    I J PED S    V o l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   129  –  1 34  13 0 reliability and efficiency. T h is in creases cont i nuo usl y  the dem a nds of adva ncem ent i n  t h e GPU.  Th e   devel opm ent  of GP Us i s  ben e fi t e d from  t h e devel opm ent of m i cro-cont rol l e rs and  po wer sem i cond uct o rs .   W i t h  e n o r m ous com put ati onal  power , di gi t a l  cont rol   uni t s  are becom i ng  m u ch fast er, m o re advance d  an d l o w   price. GPUs  have a nee d  for great com puta t ional powe r,  because of the 400 Hz   fundam e ntal frequency a nd the   in creasin g  d e man d s   o f  th GPUs. Th e h i gh  fu nd amen tal freq u e n c y resu lts in  a lo ratio  between  th e swi t ch in g   freq u ency  (2- 1 0 kHz i n  t h e pr esent  power ra nge) o f  t h e con v ert e r and t h e fun d am ent a l  o u t put  freq u enc y  (400  Hz). Exi s t i ng sy stem s have been equi p p ed wi t h   opt i m i z ed  m odul at i on schem e l i k e si ne pul se wi dt m odul ati on and equal  pul se wi dt m odul at i on schem e , whi c m i nim i ze t h e har m oni c di st ort i on. Th us, t h need for  filtering is re duced a nd sm al ler filter com ponents are sufficient.          3.   MAT R I X  CO NVE RTER F O R AG PU      Fi gu re 1  sh o w s t h bl ock  di agram  of t h e S P M C . The fre q u ency  of  t h e i n put  v o l t a ge i s  m odul ated i n   t h e SPM C .  Thus, t h e o u t put  v o l t a ge i s  obt ai ned wi t h  a st ep- c hange d fre que ncy  and vari abl e  am pl it ude. The LC   input filter is  r e quired to reduce the  switching ripple in an input current.  F i gure 2 shows the  m a tlab sim u lation  ci rcui t  of t h SPM C .  It  uses  fo ur  bi -di r ect i onal  swi t c hes  t o  serve as  an  SPM C .  Thi s   arrangem e nt  has t h advant age o f  an i ndepen d ent   cont rol  of t h e curre nt  i n   bot h d i rect i ons. Si nce t h ese bi di rectional  swi t c hes are not   available at present, they are  substituted with two diodes and tw o IGBT’s, connected  a n ti-parallel.   IGBTs are use d  because of their high switching cap a b ilit i e s and high current carrying  capabilit ies,  lead in g  to  h i gh p o wer app licat io n s . Diod es are in clu d e d  to   pro v i d e  th rev e rse v o ltag e  b l ock i n g  cap ab ilit y.        Fi gu re  1.  B l oc di ag ram  of S P M C        Figu re 2. Matlab  sim u latio n   Circu it d i ag ram  o f  Sing le Phase  Matrix  Conv erter      Im p l e m en tin g  th is SPMC req u ires d i fferen t  switc hi ng arra ngem e nt s based on t h e desi re d am pl it ude  and fre quency .  The am pli t ude of t h e out pu t  vol t a ge i s  cont rol l e d by  vary i ng t h m odul at i on i ndex of t h e   si ne/ e qual  PWM  pul ses, an d t h e fre quen c y  of t h out put  v o l t a ge depends  on t h e  swi t c hi ng st rat e gy .   Furt herm ore, i f  i nduct i v e l o ads are used, a change i n  i n st ant a neous curre nt  across t h e i nduct a nce wi l l  prod uce   larg e v o ltag e  sp ik es, th at will  d e stro y switch e s in  u s e,  due to stress. A syste m a tic  swi t ching se quence i s  t h u s   req u i red, th at allo ws fo r th en erg y  flo w ing in  th e IGBTs to  d i ssip a te with in  th e sys t e m . In  th is p a p e r, th freq u ency  of t h e i nput  v o l t a ge i s  t a ken as  50Hz ,  and t h desi red out p u t  freq u ency  i s  assum e t o  be 40 0Hz .     The swi t c hi ng  st rat e gi es for t h i s  desi red out p u t  freq u ency  i s  gi ven f u rt her  i n  det a i l  for bet t e r u nderst a n d i n g.       4.   SWITCHING STRA TEGY     The o p erat i o n  of t h e SPM C  can be expl ai ne d i n  fo ur m odes as show n i n  f i gure 3. T h e de si red out p u freq u ency  i s  t h en sy nt hesi zed by  t h e pr oper s e quenci n g o f  t h ese fo ur m odes.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       App lica tio n o f   AGPU for Ma trix Co n v erters  (Nith in  T Ab rah a m)  13 1   (a )     (b)     (c)     (d)     Fi gu re  3.  Eq ui val e nt  C i rc ui t s   fo (a) M o de- 1 , ( b )  M o de- 2 ,  ( c ) M o de -3 , ( d M ode -4       The sequence  of t h e swi t c hi ng cont rol  fo r an out p u t  freque ncy  of 40 0Hz  wi t hout  safe comm u t ati on i s   gi ven i n  Ta bl e 1.       Tabl e 1. Seq u e n ce of   S w i t c hi ng   C o nt r o l   Input   frequency   Output   frequency Mode Switc h e s    on   50Hz   40 0Hz   1 S1a   &   S4a 2 S2b   &   S3b 1 S1a   &   S4a 2 S2b   &   S3b 1 S1a   &   S4a 2 S2b   &   S3b 1 S1a   &   S4a 2 S2b   &   S3b 3 S2a   &   S3a 4 S1b   &   S4b 3 S2a   &   S3a 4 S1b   &   S4b 3 S2a   &   S3a 4 S1b   &   S4b 3 S2a   &   S3a 4 S1b   &   S4b     To generat e  sinusoi dal  PW M  si gnal s  for t h e swi t c hes  of t h m a t r i x  convert er, a  m odel i s  devel oped ,   and t h e  sam e  is sho w n  as a  s e parat e  subsy s t e m  i n  Fi gure  4 . The st at e sel ect or si gnal   por t i on im pl em ents t h operat i on  of t h e requi red s w i t c hi ng st at e of Tabl e 1. Here t h e square wa v e  pul se represe n t s  t h e desi red out p u freq u ency , whi c h i s  generat e d by  t h e "pul se generat o r"  bl ock. The fi nal   swi t c hi ng pat t e rn f o r t h e SP M C   is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94    I J PED S    V o l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   129  –  1 34  13 2 p r od u c ed , b y   m u lt ip ly in g  the o u t pu t fro m  th e SPW M  gen e rato r with   th e state se lec t o r  sig n a l, u s i n g  th "m ul ti pl y" bl ock. Each  out p u t   from  t h e "pul se generat o r" i s   m u l t i p l i e d wi t h  bot out p u t s  fr om   t h e SP W M .          Fi gu re  4.   F o ur  su bsy s t e m s  t o  gene rat e  Si ne  P W M   pul se s       5.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ONS       Th e sim u lati o n   resu lts  o f  t h e SPMC fo R an d  RL Load s withou t an d   with  safe co mm u t a tio n   st rat e gy   i s  di scusse d bel o w.     5. 1. Si mul a ti o n   Res u l t of  the SPM C  fo R Loa d                     Figur 5. Ou tpu t   v o ltage fo r  R  Lo ad 40 0 H z       5. 2.    Simul a tio n  Res u lts  o f  t h e SP MC  f o R L  Loa d  w i th o u t s a fe  c o mm uta t io n   The single pha s m a trix converter for RL load w ith ou t safe co mmu ta tio n  d e liv ers an   o u tp u t  v o ltag e   as sh own  in the wav e fo rm  b e lo w in  th fig u re.6  fo r 40 0   Hz co n s ist o f  spik e with  m a g n i tu d e  up  to  ten   ti mes   hi gher t h a n  t h e norm a l  out put  vol t a ge wh i c h needs t o   be el im i n at ed  by  fol l o wi n g   a safe com m u t a ti on   t echni que wi t h out  en gagi ng  a  separat e  snub b e r ci rcui t .         Fi gu re  6.  O u t p ut  v o l t a ge  o f  R L  Loa d   wi t h ou t  safe c o m m ut at i on st rat e gy :  4 0 0  Hz     0 0. 005 0. 01 0. 0 1 5 0. 0 2 0. 02 5 0. 0 3 0. 03 5 0. 04 - 250 - 200 - 150 - 100 -5 0 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 tim e  in  s e c s outpu t vo l tage   i n vo l ts 0 0. 00 5 0. 0 1 0. 0 1 5 0. 0 2 0. 0 2 5 0. 0 3 0. 0 3 5 0. 04 -30 0 0 -20 0 0 -10 0 0 0 10 00 20 00 30 00 tim e  in  s e c s out p u t  vo l ta g e   i n vo l ts Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       App lica tio n o f   AGPU for Ma trix Co n v erters  (Nith in  T Ab rah a m)  13 3 5. 3.   Simulat i on R e sult of   open loo p  simu link model with disturb a nce  in AG PU      Fi gu re 7.   O u t p ut   v o l t a ge wa v e fo rm   of ope n l o o p  wi t h  di st u r ba nce       5. 4.   Simulation Res u lts  of cl osed l o op sim u link m o del w i th disturb a nc e in AGP U           Fi gu re  8.  O u t p ut  v o l t a ge  wa v e fo rm  of cl ose d  l o o p   wi t h   di s t ur bance       6.   CO NCL USI O N   Thus t h e out p u t  vol t a ge wavefo rm  shown  i n  fi gure.8 i s  sui t a bl e for t h e avi oni cs use due t o  i t s   consi s t e ncy  even du ri ng t h di st ort i ons. Al so t h e out p u t   vol t a ge rm s w i t h  a  m a gni t ude of 1 1 0 V / 4 0 0 H z i s   obt ai ned t o  su ppl y  t h e ai rpl a nes duri n g st o p o v ers at  t h ai rport s . The S i ngl e Phase Mat r i x  C onvert er, wi t h   Si nusoi dal  pul s e  wi dt m odul at i on swi t c hi ng t echni ques, ha s been used  wi t h  for R  and R L  l o ads. The s p i k es   g e n e rated  in  the o u t pu t v o ltage d u r ing  switch  tran sitio n s are reduce d  wi t h  a  safe  com m u t ati on st rat e gy , w h i c pro v i d es a co nt i nuo us cur r ent   pat h  i n  dead  t i m e, wi t hout  a snu bber ci rcui t .   The sim u l a ti on usi ng t h i s  si m p l e  PI  cont rol  st ruct u r e i s  carri ed o u t ,  t o  ve ri fy  t h e consi s t e ncy  of t h out p u t  v o l t a ge. Al so, t h e pr o posed  st ruct ur e   p r ov id es a co mp act so lu tio n  with  n o  DC lin k .       REFERE NC ES    [1]   L.G y ug y i  and  B . R.Pelly Static  Power Frequ e n cy Chang ers: Theory,  Performa nce and  Applica tion . New York:  Wiley ,  1976.   [2]   Nithin T Abraham,  K Vinoth Ku mar,  Vicky  jo s e , Dona maria Mathew, S.suresh kumar, “ SAR Alg o rithm Method in   Photovoltaic Syst ems Using MP PT”,  in Internat ional journ a l of P o wer electron i cs  and drives  s y s t em s  (IJP E DS ),  Vol 3,no  4, December 2013, pp :4 38-443.   [3]   M. Venturini and A. Alesina , “The generalized tr ansformer: A ne w bidirec tiona l sinusoidal waveform       frequency  converter with  continuously  adju s table  input pow er factor ,”   in  Pr oc.   IEEE PESC   1980 , pp . 242-2 52.   [4]   A.Zuckerb e rger , D.Weinstock and A.Alexandro v itz,  “Single-ph ase matrix converter,”  in P r oc.  Ins t . El ectr i c a l   Engineering  Electric Power App lication ,  1997 , V o l. 144 , pp . 235- 240.   [5]   Uffe  Borup Je nse n ,  Morte n  Pe te r Ra smusse n, , T onny  Morte n se n . “A New Control Method for  400 Hz Ground   Powe Units for Airplane s”,  I E EE 1998, pp. 464- 470.   [6]   R.Baharom, Hasim  M. K. Hamzah,  Omar,   “A ne w single-phase contro lled rectifier using SPMC ,” IEE E  P E Con   2006, pp . 453-4 58.   [7]   Kwon, B.-H.,  Min,  B.-D., Kim, J.-H.,  " N o v el Commutation  Technique o f  AC-AC Converters,"  El ectr i P o wer   Application, (e)   EE Proc eedin gs-, Vol. 145  (4), July  1998, pp. 295 -300.  0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 50 100 150 200 250 out put  r m s  vol t a ge 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 0 20 40 60 80 100 120 ti m e  i n   s e c s out put  r m s   vol t a g e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94    I J PED S    V o l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   129  –  1 34  13 4 BIOGRAP HI ES  OF AUTH ORS          Nithin T.Abr a ha m  received his   B.Te ch. deg r ee  in Ele c tri c a l  and  Elec troni cs  Engineer ing from   Karun y a Unive r sit y , Co im bator e Tam i l  Nadu,  India .  Presen tl y h e   is pursuin g M.Te ch  in  Renewable Ener g y  Technologies  from Karun y University , Coimbat ore, Tamil  Nadu, India. His  pres ent res ear ch  interes t s  are Ne ural Networks  and F u zz y  Logi c,  S p ecial m achin es , Applica tion   of Soft Computing Technique, So lar PV bas e d p o wer gen e ration.             C.A P r adeep Kum a r receiv e d his  B.Tech . degr ee  in Ele c tri cal  and  Elec tronics  Eng i neer ing from  park co lleg e  of  engineering  and  techno log y , Co im batore,  Tam i l  Nadu, Ind i a.  Presentl y h e   is  pursuing M.Tech in Renewable Energ y   Techno logies from  Karun y a Univ ersit y , Coim batore,   Tam il Nadu , Ind i a.  His  pres en t r e s earch  in teres t s  are Application  of So ft Computing Technique,  H y brid  vehicles, Renewab l e en er g y .                         S h aem Li zbe t h M a thew   rec e iv e d   her engin eerin degre e  in   El ec tric al and Ele c tr onics   from   Federal  Institu te of Sci e nce  and   Technolog y   (F ISAT), Ern a kulam  in  2011 . She  is pursuing her   master’s degree in Renewable Energ y   Technolo g ies from Karun y a   University Coimbatore. Her   field   of   interest concerns the  pho tovolta ic   power   and MATLAB  coding.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.