In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  4, D e c e m ber   201 9,  pp.  2165~ 21 72  ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 4.pp2165-2172          2165     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Universal power conv erter fo r low   power applic ations       M. As n a 1 ,  H. S har eef 2 ,   S . N . Khalid 3 , A.   O .  I dris 4 ,  A.   N .  A l d a rm a k i 5 ,  Basil Hamed 6    1, 2 , 5,6  De p art m en t   of  El ect ri c a l En gi n e e r ing ,  Un i t e d   Arab  Emi ra t e s Un i ve rsi t y    3   D epar t m ent  o f  Elec t r i cal  P o w er  Enginee r ing,  U niver s it i Te kn olo gi  M al ay si a ,  8 1 310  Jo hor  B a h ru,  Mal a ys ia   4   A A D C -A l-A i n D i stri b u ti on  C o mpa n y,  U nite d A r a b  Em i rates       Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e ce i v e d  Mar  15,  2 0 1 9   R e v i s e d   Jun   2 ,  2 019  A c c e pte d   J u l   13,  201 9       A  no ve l  p o we r  c o nv e r te r  th a t   c a n   p e rform  b oth   vo lta ge   a nd   f re qu ency   con v ers i on   w as   p rop o s e d.  I n a pp ro pri a te  p o w er  s up ply   can  d amag e  sensitive   su b-co mp on ent s   a nd  rend er  t h e   c o nnect ed  d evi ce  i n o p erabl e .  H e n c ef ort h ,  th e   pro p o s ed  v o ltag e –f req u ency   c o n v ert e r  acts   as   a n  i n t e rf a ce  to   p l ug   a ny   elect rical  d ev ice  d i rectl y   i n t o  an  e lectri cal  s ock e t  a nd  pro v i d e  t h e  v o l t ag e  and   f r equ e ncy  requ ired.   Th e  con v e r t e r  us ed  a   s y n chro no us   r ef erence  fr a m e  proportional – i n tegral  ( SRFPI)  c o nt roller  to  r egu l at e  the  i n stan ta n e ou s  ou tpu t   vo lt age  an d  t o   i m p rov e   s t eady   st ate  p e rf orm a nce.  B ec au se  t he  P I   c on tr o l le r   wo rks   to get h er  w it h  the  sy nch r o n o u s   ref e rence  f r am e  co nt roller,   i t   is  d i f f i cult  to   t un e  t h e  P I   c o n tro l   p aram eters .   T o  o v erco m e   t h i s  issu e,  a   n e w  met a   heu r is tic  optimizati on  techn i q u e  cal led  lig h t ening   search  a l g o r it hm   ( L S A )   op timizati o n   wa s  u s ed   t o  i d en tify   t h e   optim um   P I  p a ramet e r  valu es.  A   det a il ed  d es crip t i o n   o f   t h e  syst em  o perati on  and   co nt rol  strate gy   w a s   pres ent e d .   F i n ally,   th e  perf o r m a n ce  of   t he  c o n v e rter  w as  a n a lyz ed   a nd   veri fied  b y  s i m u l a ti on   a n d   e xp erim ental  res u l t s.   T he  e x p erim en t al   r e s ul t  h a s   sh ow n  t h a t   t h e   p rop o sed   s y stem   h as  s ati s f a cto r y  out put  v ol tag e   and   f r equ e ncy  und er  d iff e rent  in p u t   vol tages . K eyw ord s :   Li ght ni n g  sea rch  alg o ri t h m   Me ta  h euri stic s  P r op or tio na l  Integra l     S ync hr on o u s  refere nce  fra m e     Vo lt ag e–f r e q ue n c y   c onv ert e r    Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Hussain S hareef ,     D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   Eng i ne eri ng,    U n i t e d  A r a b Em irate s   U niv e rsi t y,   A l -A in,  15 551,  U nite d  A r ab  E m i r a tes.  Em ail:  sha r ee f@ua e u .a c.a e       1.   I N TR OD U C TI O N   Vo lt a g e-f r e q u e n c y  c onv ert e rs  a re  b ec o m in g   i n c r ea si ngl y  po pul a r   as  m os t   perso n a l   e lec t r i c a l  de vice s   are   sensi t i v e  t o   t he  f r e q u e n c y   a nd  vo ltag e   s pe cifie d   o n  t h e  dev ic e.  F or  i nsta nce,   a   6 0  H z   h a i r   dryer  c a n   bur n   out  on  a  50  H z   e lectr i city  s uppl y.  T hus,  t he  v olt a ge-freque ncy  c o nver t e r   c a n   act s  as  a n  in ter f ac e  t o   p l ug  a n y   elec tr ical a p p l i a n c e  i n t o  a  foreig n  e l e c t rica l   soc k et  a n d  e nsur e tha t   t he  de v ic e w o rks per f ec tl y.  P r e v i o u s ly ,  v o lt a g e  an d  f r e que n c y  co nv e r sion   w ere   perf o r med   u s i ng   a   t r a nsfor m e r-ba s e d   c o nve rter  [1],   a s  i t   h as  t he   a d v an ta ges   of  s im plic i t y   a n d   pro t ec t i o n .  H o w eve r ,  it  has  som e   d i s a dva n t age s   s uc h   as   i n c r ea sed   po we r  l o ss,  hi gh   c o s t ,   a nd   h e a vy   w ei ght .  Thi s   w o r k   p r esen ts  a   t r a ns form erle ss  p ower   e l e c t ro ni c   base d  vo lta g e - f r e que nc y  c o n v e r ter  for  p o rt able   a p p lic at io ns  t ha t  has   lo w e r  c o st ,   sm aller  s i z e ,   a n d   lo w e r   pow er  loss  [2- 3 ].   F i gure  1  sh ow s  t h e   gener a l  b l oc k  d i agra m  of  t he  v o l tage –freq u e n cy   c o nve r t er.   A  r ectifier   co n v er ts   t h e  su ppl y  v o lt ag e   in to   D C   vo lt ag e   and   p a sses  it   t o   a   DC – D C  boo st   c onve r t er  t o  ste p   u p  t h e  m a g n itude   o f  vo lta ge.  T h e  i n verte r   c o n v erts   t h e   vol ta ge   b a c k  int o   a n  A C   v o l t age   a n d   c h a nge s  t h e   freq ue nc y  from   5 0  H z   t o   60  H z   o r  v i ce - v ersa.   In  a dd i tio n,   a   f ee d b ac k  P I   c on tro l l e r   circ ui t   i s   u sed   to   r e gul at e  th e   lo ad   v olt a ge   a nd  fre que nc y.   A   l ow   p a s s  L C   f il ter   i s   u se d  at  t he  l oad  si de  t o   eli m i na te  h ig h  freq u enc y   c o m pone n t s  an d  henc e   impr ove  the  q u a lit y  of t he  o utpu t v o l t a g e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :   2 165   –  2 172  2 166     F i gur e  1.   G e n er a l   b l o ck  d ia gr am   o f  a  vol ta ge –fr e q u e n cy  c o nver t e r      The  most  c hal l e ng i ng  a s pec t s   f o r   t h e   r eal iza tio n  o f   t he   p r o p o se d   v o lt age-freq u e n c y   con v e rter   a re   t h e   de sig n   o f   t h e   i nver t e r   c o n tr ol ler   an d  the   t u n i n g   o f   t h e   P I   c on t roll er.   Many   a d v a n ce d  c o n t r o l  m e t h ods   w er e   de ve l ope d  i n   r ec ent   year s  t o   f i n d  a  so lu t i o n   t o   c on tr o l   t h e   i n s t a nt an eou s   o ut p u t   vo lt a g e   a n d  th e   fre qu e n cy  o f   the   si n g l e   p ha se   i nve r t er   [ 4] .   LC   r e s o n a n ce   c ontr o l  [5] ,   d e a d  b e a t   c ont ro l  [ 6 ],   s lid i n g - m o d e   c ont r o l   [7 -8 ] ,   a nd  r e pet i t i ve  co n tr ol  [ 9]   a r e  a  f e w  e xam p l e s ;   h o w eve r ,   t hese  c on tr ol  t ec hn iques are  q u i te comp l ex . In   [10 ] , a n ew  c o n t r o ller   ba s e d  on  t h e  s y n c hr ono us  r e f er e n ce   f r a m e   m eth o d   i s  p r o p o se d  f o r   a   s i n g le- pha se   s i n e   w a ve   in ver t e r .   The   sync hr o n o u s  r e fe r e nc e  fra me   c ont r o lle r   is  w idel y  use d   f or   t hr e e - pha se  a p p lic ati o n s ;   me an wh i l e ,  it   i s  no t   we ll   e st a b li sh ed   f o r   s ing l e  -p h a se  c onv e r t er s.   I t  pr o v i de s  s u p e r i or   p er for m anc e   o w i n g   t o  the   t i me - i n v ar i a nt   n a t ur e   of   t he   c on t r o l l e r ,   a nd   t h u s  the   i n v e r t e r  co ntrol  seems  s i mil a r  to  a   D C – D C   c o n v e r t er   [11 - 13 ].  The  t u ni n g   o f   the  P I   c on tr ol l e r   is  c r u c i a l   f or   a vo i d i n g   l a r g e  v a r iat i o ns  i n  t h e   c o n t r o l  si gna l .   I n ap pr opr iate   s e l e c t i o n  of   P I  pa r a m e te r s   m a k es  t he   c on tr ol   l o o p s  oper a te  i nade q u a t e l y,   r esul t i ng   i n   a  low   c o n t r o l   pe r f o r m anc e   [ 1 4 ] .   M any  tu n i n g   m et ho ds  t o  e s t i m a te  t he  p a r am et er s  of   P I  c ontr o lle r s   a r e   a vai l a ble  in  li tera tur e ;   som e   o f  them   a re  m odel   ba sed   c o n t ro l l e r s  [1 5],  o p t i miza tio n  t uni ng   m e t h o ds   [ 16- 1 8 ]   a nd  f u z z y   lo g i c  c o n t r o l l e r s  [19- 20] .   H o w e ver ,   t he se   m etho ds  g ene r all y   do  no t  gu a r ante e  a   co ns is t e n t ,  r e lia ble,   a n d   r obust  o p tim a l   P I   c ont r o ller .     Ther ef or e ,   i n  t h i s   w or k,   a   r ec e n t  op tim i z a t i on  me tho d   c a l le d  th e  l i g h t ni n g   sea r ch  a lg or i t hm   i s  use d   [ 2 1 ]   t o  o b ta i n   t he   b e s t   P I   p ar a m eter s,   n a m e l y  pr op or tio na l g a in  k p  a nd in te gr al  g a i n  k i .   L S A i s  a  m e t aheur i s tic   op t i miza tio n  te c h n i que   b a s e d   on  t h e   n a t u r a l  phe n o m e no n  o f   l i ght n i ng,   w hich  o r i g i na tes  f r om  t hu nder s t o r m s.  G e ner a lly  i t   pr ov i d es  b e t ter   re su l t s  c o m p ar e d   t o  par t ic le  s w a r m   opt imiza tio n  (PSO)  with  a   g rea t   c o n v e rgenc e   r a te  [ 2 2 ] . A   de ta ile d  descr i p t i on  of  s yste m  oper a t i o n   a n d   c ontr o l  stra teg y   i s  pr ese n te d   i n   S e c ti on  2.  T h e   in ver t e r   c o n tro l l e r  is  d esc r ibe d   i n   Se ct io n  3.   T he   p e rfor m a n ce  of   t h e   c o nve rt er  i s  an a l y zed   a n d   h e n c e   v e r i f ied  by  com p ute r   s im ul a t i on  a nd  e xper i m e nta l   r esu l ts  i n  S e c tion   4.   F inal ly,  Sectio n  5 pre s e n ts  t he c o n c l u s io n s .      2.   OPERA T ION   OF  T HE PROPOSED  VOLT AGE-FREQ UENCY  CO NVERT ER   The  fl ow ch a r t   sh ow n   i n   F i gur e  2  de scr i bes  the   ope r a ti o n   o f   t h e  pr op ose d   v ol ta g e - f r e que ncy   c o n v er ter .   I t  c a n  be  d e s cr i b e d   u s i ng  tw o  d i f f er en t  ca se s  depe n d ing   upon   t h e   m a g nit u d e   o f   in put   vol t a g e .   F i g u r e   3   s h o w s   t he  c ir cu it  d i a g r a m   of  t he  v o l tage- f r e que nc y   con ver t e r .  I n i t i a lly  t he   s u ppl y  vo lta ge   i s  sensed  b y  a  v o l t a g e  sen s or .   I n   the  firs t  ca se ,  i f   t h e   s e n se d  v o l t a g e  i s   e qua l  t o   2 20  V / 5 0   H z,   it  pass es  t hr ou g h   t he   r ec t i f i e r   t o  c onve r t  the  fi xe d  f r e que ncy  A C   v o l t a ge  i nto  D C   l i n k   vo l t age  r e q u i r e d  for   the   i nver t e r .  The  in ver t e r   t he n   co n v e r ts  t he  u nr eg ula t e d   D C  l i n k   v ol t a ge   b ac k  i n t o   a n  A C   vo l t age   of  1 10   V rm s   a nd  c h a nge s  the   fr e q ue ncy   fr om   5 0  H z   t o   60   H z  b y   u sin g   t he  s yn ch ro nou s  re f e re n ce  f r a m e   P I   (S RF P I )   c ont r o ller .   T he  f ee db a c k  con t r o l l e r   m a i nt a i ns  a  c ons ta nt  l oa d  v o l t age   via   t h e  pr ope r   tuni n g   of   t he   P I   pa r a m e ter s   b y  usi n g  the   LS A   op t i m iza t i o n  m e t h od  [2 3] .   A n  A r du i no  micr oco n tr ol l e r   b o ar d   i s   u se d   to  ge n er a t e   t h e   ga te   c on tr o l  si gna ls   t o  dr i v e t h e   in ver t e r  [ 2 4 ] .  Fina ll y, a l o w  pass fi lter   i s  c on nec t ed  a t th e   l o a d   si de  t o   el im in a t e   t h e  h i gh  f r eque nc y  c o m p o n e n t s   i n  the   ou tp u t   v o l t a g e   a nd  the r e b y   i m pr ove   t he  o u t pu t   qua lit y.     I n  t h e  s e c o n d   c a s e ,  i . e . ,  i f   t h e   s u p p l y  v o l t a g e   s e n s e d   i s   n o t  e q u a l   t o   2 2 0  V  A C   ( e . g . ,  1 1 0  V / 6 0   H z ) ,   t h e n  s i m i l a r   t o   t h e   p r e v i o u s   c a s e ,  t h e  r e c t i f i e r  p e r f o r m s   D C  c o nv e r sion   o f   t h e  s upp ly   vol ta g e   a nd   t h e   i nv e r t e r   c o n v e r t s  t h e  D C   l i n k   v o l t a g e   b a c k  i n t o   2 3 0  V  A C   w i t h  a  f r e q u e n c y  of   5 0  H z .  Un l i k e   t he   f i r st   c a s e,  t h e   b o o s t  c o n v er ter   is  p l a c e d a t   t he  i np ut s i d e  o f   t he   i nver t er  to s t e p   u p  t h e  r e c tif ie d   vo l t a g e  to  4 00  V   D C   by  va r y in g  the   du t y   c ycle.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Uni v ers a l po we r conv er ter f o r lo w po wer a p p l i c a t i on s  (M.  Asn a )  2 167 M a i n s   Supp l y S e nsi n g  t h e   V o lta g e S u pp l y   =  2 20  V a c   ? R e c t if ie r In v e r t e r   w i t h   60   H z Lo w   P a s s   Fi l t e r 11 0 V a c , 6 0 H z   R e c t if ie r Bo o s t   Co n v e r t e r   (4 00   D C   V o l t s ) I nve r t e r  w i t h   50  H z Lo w   P a s s   Fi l t e r 22 0 V a c , 5 0 H z No Ye s V o lta g e   a n d   Cu r r e n t   Se ns or s   (A C S 71 2) A r dui no  UN O     I nve r t e r  D r i ve r I R S2 18 64    V o l t a g e  an d  Cu r r e n t   Se ns or s   (A C S 712 ) Ar d u i n o   UN O     I nve r t e r   D r i ve r I R S 218 64    Ar d u i n o   UN O        Fi g u re  2 .  Fl o w c h a r t   o f  t h e   p r o p o s e d  c o n v e r t e r             F i gur e  3.   C ir c u it  d i a g r a m   of  p r o p o sed  co n v er te r       3.   I N V E R T E R   C ONTROLLER   D ESCRIP T IO N    F i gur e   4  i l l u st r a tes the   c o ntr o l   schem e  used in t he  p r o p o se d   vo lta ge –f r e q u e nc y  c o n v er ter .  I t  incl ude s   a n   S RFP I   c ontro ller  t o   r e g u l a t e  t h e  in st a n ta neo u s  ou tp ut   v o l t a g e,   a n d   a n  i n ner   cur r e nt  l oo p  a nd  a n   o u t e r   vo l t age  l o o p   w it h  a  P I   c ontr o l l er   t o  impr o v e   bo t h   t r a nsie n t   a nd   s tea d y- st a t e   per f o r m a n ce s,   t he r e b y   i mpr o v i ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I n t  J Po w El ec &  D ri S y s t   Vo l. 1 0 ,  No . 4 ,   D e c  2 0 19   :   2 165   –  2 172  2 168 sys t em   r obus t n ess  [ 25] .   The   r e fe r e nc e  sig n al  f or   t he  i n n er   l oo p   i s  the   o u t put   s ig nal   o f   t h e   v ol t a ge  l oo p .   F e e d b a c k   s i gna l   c a p a c ito r  c u rren t   a nd   out pu t   vo l t a g e   a re   g iv en   f o r   t h e   i nner   a nd  o u t e r   lo o p s,   r espe ct ive l y.   Bec a u se  t he   c a p ac it or   c ur r e nt  i s  dir e c t l y   p r o por ti ona l  to  r ate  of   c h a ng e   of   out put   v olt a g e   f o r   a ny   s li g h t  di st o r tio n  i n   o utp u t  vol ta ge ,   t h e   i nner   co n t r o l  l o o p   p e r for m s  f aster  an d  com p en sates  the   e rror.   F or  a   s in g l e   pha se   s ys tem ,   a   P a r k  tr ansfor ma t i o n   f or   o b t a i ni ng  the   var i able s   i n   a  sync h r on ou s  (DQ)   r e f ere n ce   f rame  i s   gi ve n  i n   E qua t i on  1.              ( 1 )     The   P I   p a r amete r s  in  t he   v ol t a ge  a n d   c ur r e nt   c o n t r o l l er s  ar e   tu ne d  b y   t he  L S A   o p t im iz at i on  tec hni que .  S i milar  to  o t h e r  me t aheur i st ic   a lg ori t hms,   t h e   L SA  r e quire s  a  p o pul at ion   t o   i nit i a t e  a   searc h .  It   c o n s id ers  t h e   in v o l v em en t  o f   f as t  pa r t i c les   kn ow n  a s   p r o jec t i l es  t o  per f o r m   u n i q u e   e x pl or a t i on  a n d  exp l oi t a tio n  a c t i v i t ies   an d  se arc h   f o r   t h e  o pti m u m   s ol uti o n .   T h e   t un ed   P I  c o nt ro ll er  p a ramet e rs  ( k p  a n d  k i )   ba se d  on  t h e   LS A  op t i miza tio n  t e chn i que  can  y ie l d   a   b et ter   dist ur ba nc e  r e jec t ion   c om par e d  t o   o t h er   c on ve n t i o nal  t e c h n i q u e s.           Fig u r e 4 .   B lo c k  d iag r am  o f  SRFPI co n t r o ller         H e nc e,   t he  m odu l a ted  sw i t c h in g  sig n a l   f or   t he  i n v er te r   i s   g ene r a t ed  by  a p p l yin g   t he  i nve r s e  P a r k   t r an sfo r ma t i o n   t o   t h e  out put   o f  th e   cu rre n t  c o nt roll e r .  T h erea f t e r,  t h e   P u l se   w id th   m odul a t ed   ( PWM )   s i g n a l s   to   d r i ve  t he   i n v er t e r   sw itc he s  a r e  ob ta i n ed   b y  c o mpa r ing   t h e  mo dul at e d   s wit c h i ng   s ig n a l   w i th   a   t r i an gul ar  carr i e r sig n a l.          4.   SI M U L A T I ON  A N D   E X P ER I M E N T A L   R E SU L T S  I n   t h i s  sec tio n ,   t o  ver i f y   t he   p er f o r m a n ce   o f   t h e   pr op ose d   c o n v er t e r ,   bot h  s y st e m   s i m ula t i on  a n d   e xper i m e nta l   r esu l ts  h a v e  bee n   p r e se nte d .     4. 1.   Si m u l a t i o n   R e s ul t s   The  s i m u l a t i o n   is   c o n duc te d  us in g  t h e  MATLAB / SIMULI NK  too l;  F i g u r e  5  de pic t s  t h e  sim u l a t i o n   m odel  of  t he  p r o pose d   v o lta ge– f r e q u enc y   c on ver t er .   S i m u lat i on s  a r e   p e r f o r m e d  f o r  t w o  d i f f e r e n t  i n p u t   vo l t age s ,   110  V / 6 0   H z  and  220  V / 50  H z .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       U n ive r s a l po w e r c onver ter  fo r  l o w p o we r app li ca tio n s  (M.  Asna )  2 169     Figure 5.  S im ul ation  model   of pr oposed conver t er      F i gure  6  s how s  the  ou tpu t   vol ta ge   w a v eform   o f   v a r io us  s t a ge s  of   t he  v olta ge -fr e q u en c y   c o nve r t er   f o r a n  i npu t   of 1 10  V/ 6 0   H z  a n d   a res i stiv e   lo a d  of   10 0   Ω .       (a)  (b)      (c)     F i gure  6.  S imula t i on r e su lts  f or the  pro po se d  con v erte r for   a n   i n put  v ol t a g e  o f 110  V rm s .   (a) Rect ifier output   vo l t a g e.  (b)  B oos t c o n v erter   o u t p ut   v o l ta ge .  (c)   Inve rter  o u t pu t   vo lt ag e.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   2 1 6 5  – 2 172  2 170 F i gure  6(a )   s h o w s   t he  o u t p u t   w a vefor m   o f  the   rec tif i e r  w h e r e  th e   110   V rm s   i s  con v er t e d   int o   1 56  V   D C .  The  vo l t a g e  is  t he n  ste p p e d   u p   t o   4 0 0   V   D C  in  t he   b oos t  sta ge ,  a n d   t h e  w a ve for m   o bta i ned  is  s how n  i n   F i gure   6(b).   F i g u r e   6 c   prese n ts  t he   o utp u t   w a vefor m   a t  the   i n ve r t e r   s t a ge   w her e   t he   D C  l i n k   v o l t a ge  i s   con v er t e d  back   i n t o  2 20  V   A C   w i t h  a  fre q u e ncy  of  5 0  H z .  It  i s  c lea r   t ha t   t h e   ste a dy-s t at e  e rror  in  t he  o ut put   vo lta ge i s ne g l i g i b l y   s ma ll.   F i gure  7  sh ow s  t h e  o u tp ut   v ol t a ge  w a v efor ms  f or  a n  inp u t   o f  22 0   V / 5 0  H z .  A f ter   rec tifi c a t ion,   t he   D C   v ol tage   i s   c o n v erte d  d i re ctly  i nt o  1 1 0   V rm s   w i t h  a  fre que nc y  of  6 0  H z   a s  sh ow n   i n   F i gure  7( b).  Bec a u se   the r ect ifier   prov i d es t he  re quire d D C  li n k v o l t a g e  for  t h e   i n v er te r ope rat i on, the  b o o s t   s ta ge is  omi t t e d her e .         (a)       (b)    F i gure  7.  S imula t i on r e su lts  f or the  pro po se d  con v erte r for   a n   i n put  v ol t a g e  o f   220  V rm s .   (a) Rect ifier output   vo l t age.  (b)  In v e r ter  ou t p u t  v ol ta ge.       4.2.   Ex pe ri m e nta l  Res ul ts   The   pr o p ose d   v o l t a ge – f r e qu e n c y   c o nve rt er  s yste m  w a s  set  u p   i n  a   l ab ora t or y.  T he  o ve ra l l   s yste m  ca n be  d ivi d e d   i n t o t w o   par t s,  nam ely  the   po w e r   c i r c uit an d   t h e  c ontr o l c i r c ui t. The  pow er circui t  c onsis ts of a   low   pow er  D C   so urce ,  fu ll  br id g e   r ec t i fi e r   m od u l e ,   b o o st  c i r cu i t,  i n v e r te r  c i rcui t,  L C   fi l t e r ,  a nd  se nso r s.   T he   con t ro l  c i r c u i t   com p rises  t h e  dri v er  c ircui t s  and  micr oc o n t r ol l e r   f or  p e r fo rm ing  t h e  c o ntr o l   al gor it hms.  T he   con t ro l  al g o ri thm   w a s  imple m ented  o n   t he   A rdui n o   M e g a   25 60  m i cr oc o n tr ol ler  b o ar d,  w hic h   i s  base d   on  t h e  A T m e ga25 6 0   p roce ss or.   I t   i s   a  low - c o st  m i c r o co ntro l l e r   t ha t   ca n   a c t   a s  an  i n t e r fac i ng  com p o n e n t  be tw e e n  softw a re   a n d   h ardw a r e  com pone n t s.   T he   g a t e  sig n a l s  f o r   t h e  b o o s t   c onvert e r   a n d   t h e   i n v e rt e r   a re  g e n era t ed  thr o u g h   a n  i n b u i lt  P W M  m o du le  o f  the   m i c r oco n tro l ler.   T he  s i g na l  ge n e ra t e d  fr om  s i m ul i n k  is  u p l o a ded  to   the   m i croc on trol ler  ch i p .  A s   t he   l i b ra ry  f or   t he   A rdu i n o   i s   ava i l a b le  i n   MATLA B ,   t h e   m athem a t i ca l  c o n t r o l   alg o ri t h m  ca n  be  d e v e l o p e d   m ore  ea si ly.   A r duin o   p ro v i de s  the  a d va n t a g es  o f  l o w  cos t ,  sim p li c ity,   a n d   a  cle a r  pro g ra mm ing  env i ro nm en t.  T a b le  1   lis ts  t he   r a tin gs  o f  t h e  i n duc t o rs  a nd  ca pac i t o rs  u se d  to  d e v e l op  th e  expe r i me n t a l   p rot o ty pe .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Uni v ers a l po we r conv er ter f o r lo w po wer a p p l i c a t i on s  (M.  Asn a )  2 171 Tab l e  1: E xper i m e nta l   P ar ameter s    Pa r a m e te rs  V a l ue   I n p u t  In duc t a nce  1. 5 m H   O u tput  I nduc ta n c e   350  µH   Inp u t  c a p a c i t a n c e   3000  µF   D C   link  c a p a c ita n c e  100  µF   O u t put  c a p ac it a n ce   60  µF       T h e  e x p e ri me nt al   w av efo r ms  a t   th e   re c t ifi e r,   b oo st ,  an d   in ve rt e r   stage s   o f   t h e   pr o pose d   c on ve r t er   a r e   s how n   in F ig ure  8.      (a )     (b )   (c )   ( d )      F i gur e  8.   E xpe r i m e nta l   r esul ts  f or   t he   p r o po sed  co nver t er   f or   a n  in pu t  v o l t a g e  of  1 1 0   V rm s .   ( a )  r e c t if ie r   o u t p u t   vo ltage   ( b)   b o o s t  co nve r t er   o u t p u t   v o l tag e .   ( c )   I nver t e r   outp u t  vol t a g e   w it ho ut  snub b e r .   ( d )  In v e rt er o ut pu t   vo lta ge  w i t h   s n u b b er       F i gur e   8( a)   s how s  t h e   r e c tif i e d  vo lta ge   f or   a n  in pu t  of  1 1 0   V rm s  f e e d i n g   a  1 0 0 0  μ F   c a p a c i t o r .  F r o m   the  w a vef o r m s,   it  is  obse r ve d  t h a t   t ha t  t h e   r i pp le  f ac t o r   ob ta i ne d  is  5.3 %  o n   e a c h  s i d e ,  w h i c h  i s   w i t h i n   a cce pt ab le  lim i t s.   F ig ur e  8( b)   d e p i c ts  t he  b o o s t   c o nv e r t e r   o u t p u t   v o l ta ge;   F i g u r e s.   8 ( c )   an d  8( d)   r e p r e sen t   t he   in ver t e r   o u t pu t  vol ta ge .   H e r e ,   an  R C   sn ubb er  n et wo rk  i s  ut i l i z ed   t o   c o n t r ol   t he   v o lta ge   t r a ns ien t s  c a u s e d   b y   the   fa st  s witc hin g   o f  the   MO SF ET.  It  c an  b e  se e n   t ha t  t h e  inve r ter  o u tp ut   v olta ge   r em ain s   s in u s o i da l   wit h   on l y   a   s ma l l   d istort i o n   o b se r v ab le  w he n  it   s tar t s  co n duc ti ng.  F urt h erm o re ,  it   i s  c l ear   t hat   al l   ex per i m e nta l   r e sults  a re  in goo d a g ree m e n t   with t he  s im u l a tio n  resul t s.      5.   C O NCLUS IO NS  Th is  p ape r   h a s   p r opo se d  a   si mple  a nd   a   c o m pati b l e   por ta bl e   v o l t a g e – f r e que nc y  c o n v er ter   f o r   l o w   pow e r   a pp lica tio ns.   The   c o n v e r ter   e n sur e s   the  pr ope r   f u nc ti on i n g  o f   p e r sona l  el ec t r ic al  a pp l i anc e s   whi l st   tr a v e l i ng,   p r o v i d i ng   t he   v ol ta ge  a nd  fr e q ue ncy   spec if i e d  on   t he   d e v ice.   A n  S R F P I   contr o l l er   i s  a d o p t e d  t o   r e gu late  t he   s y s te m  fr e q ue nc y  a n d  i n sta n t a neo u s  ou t p u t   v olta ge .   M or e o ver ,   t o  simp l i f y   t he   t u n i n g  o f   t he  P I   c o n t r o ller   par a m e ters,   the  LSA  op t i m i za t i o n   alg o ri t h m  i s   e m p l o y e d ,  the r e by  r e d u c i ng  th e  st e a d y   s ta te   e rr or  an d  h e n c e   i m pro v i n g   t h e c ontro ll er  p erfo r m an c e .   I n   a ddi ti on ,   si m u la t i o n s  a nd  la b o r a tor y   e xpe r i me nt s   co nf ir m  t h e  e f f e c t i v e n ess  of  t h e   p ropo sed   co nv e r t e r .   C ont rol   a l gori t h m   w a s  im pl e m e n te d  on  the   A r du i n o   M e ga  m i cr oc o n t r o lle r   boa r d   t ha t   in t e r f ace s  be t w e e n  S i m u li nk  mo de l  a n d   th e   h a rd w a r e   p ro t o t y p e .  Th e  e x p e ri me n t al  r e sult  has  s h o w n  tha t   t he  p r o p o sed  sys t e m   h as  s at is fac t or y  o u t p u t   v o lta ge   c o n t r ol  u nder   di ffe r e nt   i np u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  10,  N o.  4 , Dec  201 9 :   2 1 6 5  – 2 172  2 172 vo lta ge s  w ith  a   r ipp l e   fa ct or  o f  5 % ,  w h i c h  i s   i n  ac cepta ble   li m it.  H ow e v er,  to  a c h ieve  b et t e r  pe rf orm a nc e   for  a   w i de  r a n ge  o f  i n p u t   v o lta ges,   S RF P I   c on tro l ler  use d   i n  t h e  pro p o s ed  s ys tem   ca n  be   i mpro ve d  w i t h   adva nc e d   c on tr ol tec h n i q ues,  that f o rm  a   p l a n   for   fut u re  re s e a r ch.      A C K N OW LE DG EM E N T   Th is  w ork   w a s   su pp orte d  b y   t he   U n i t e d  A r ab  E mira t e s  U n i v er si t y   ( U A E U )  u n d e r  G r a n t  3 1 N 3 4 8 -   1 6_7 _ S URE+ 20 18      REF E R E NC ES  [1]   E.   R .   R o na n ,   et al . ,  “ A   p o w er  e lectro nic  b a sed   d i stri butio n  t r ansform e r,”  IEE E   Po wer En g i neer in g  Revi ew ,  v o l .   2 2 ,   no .  3,   p p .   6 1,  M ar  200 2.   [2]   C.   R os a,  et  al. ,   “A   t ransf o rm erless   p ow er  e lect ronic  conv erter  topol og y  f o r  PD LC   a pplications.” 9 t h   I n t ernati onal  Conf erence  on  Compatibi lity  and Power  E lectronics ,  pp . 3 59 -3 63 ,  2 0 1 5 .  [3]   P .   Z i ogas,   et  al.,   “ Op timu m   s y s t e m  design  o f   a  three  phase  rect ifier-i nverter  typ e   o f   f requ ency  c hang er, ”   IEE E   T r an sa ctio ns  on  In dus trial A p p l icati ons,   v o l .   I A - 2 1 ,   n o .   5 ,  p p .  1215-1 2 2 5 ,   1 98 5.              [4]   R.   O rtega,   et al.,  “ C on trol  t echn i q u es   f or  r edu c tion  of   t h e   t o t al  h arm o n i c  disto r t io n  in   v ol ta ge   a pp lie d   t o   a   sin g l e - p h as e  in vert er  w ith  non li near  l oad s :   Review ,”    R e newa ble and   S u st a i na ble Energy Reviews ,   vo l.   16,   n o .   3 ,   pp.   1 7 5 4 -1 76 1,   A pr 2 01 2.   [5]   J .   A rgo,   et  a l .,  “A  c o n t r ol   m eth o d   f o r  s i ngl e  p h ase  PW M   i n v e rters, ”  4t h  IEEE  In ter nat io nal Co n f erence  on  Po wer  E l ect ro n i cs a nd Dri ve System s,  p p .   28 2-2 85,   2 0 0 1 .   [6]   P.   M a t t a velli,  et al . ,   “ An  i mpro ve d   de a d -b e a t   c on tro l   f o r   U PS  usin g  d i s t u r ba n c e   ob s ervers ,”  IEE E  Trans .  Ind.   E l ect ro n . ,  vol.  52,   n o .   1 ,  pp .  2 06-212 ,   F eb . 2 0 05  [7]   A.  A b r is ha mi fa r ,   et a l . ,   “ F ixed   s witch i ng  freq u en cy  s li d i ng   m ode  c ont rol   f o r  s i n g le-p has e   u nipol ar  i nv e r t e rs",  IEE E   Tran sa c t io ns on  Po we r  E l e c t ro n i c s ,   vol.  27,   n o .   5 ,   pp.   2 50 7-25 14 ,   N ov   2 0 11.   [8]   J .  M at as,  et al .,   “ A  d i s c ret e   s l i ding  m o de  c o n t r ol  o f   a   b u ck -bo o st  i n v e r t e r, ”  IE EE ,   2 0 0 2 , p p.  14 0 - 1 4 4 .  [9]   K.  Z ho u,   et al. ,  “Zero-phase  odd-harmonic  repe titive  contro ll er  f or  a   s ing l e-p h a s e  P W M  i n v e r t e r , ”   I E EE  T r an sa ctio ns  on  Po wer E l ectro nic s , vo l .   21 ,   no . 1 ,  p p . 1 93 -20 1 , Ja n  2 00 6.   [10]   M .   J .   Ryan   a nd  R.   D .   Lo renz,   “ A   s ynchron ou s-f r am e   con t roller  f o r  a  s i ng le-p hase  s in e  w a ve  i n verter,”  P r o ceedin gs  o f   APEC 97-A p p l i e d  P o wer  Elect ro n i cs Co nfer ence ,   pp.   8 1 3 -8 19,   1 9 9 7 .   [11]   A .   R osh a n,   et a l . ,   “ A  D - Q   f r a m e  c o n t r o l l e r  f o r  a  f u l l - b r i d g e  s i n g l e   p h a s e   i n v e r t e r  u s e d   i n  s m a l l   d i s t r i b u t e d  p o w e r   ge n e ra tion   s y s t e ms,”   APE C  07-T w ent y -Seco n d   An nu a l  IE EE Ap plied   P o wer  Electr onics   Co nfer ence  an d  E x po siti on ,   p p .   641 -6 47 ,   2 007 .   [12]   M.   M onfrared,  et  al .,   “ An aly s is,   Desi gn,   a nd   E x p eri m e n tal   Veri ficat ion   of  a   S yn chron ou s  Re f e rence  F r am e  V o ltag e   C on tro l  f or  S ingle-P h ase   In verters , ”   IEEE  Trans.  Ind. Elect ron.,  vo l. 61 , n o .  1 , p p.  2 58   - 2 6 9 , Jan  20 1 4 .   [13]   D.  D o n g ,   et  a l . ,   “ On   zero  stead y-s t ate  erro r  v o lt age  co nt rol   o f   s in g l e-ph a s e  P W M  inverters  w i th  d iff e rent  l oa d   ty pe s , ”   IE EE  T r a n s .   P o w e r El ect ro n . ,   vol.  26,   n o .   1 1,   p p .   3 2 85–  329 7,   N ov  20 11 .  [14]   L . Y un ,  et  a l . ,  “P ID  con trol  s ystem   an aly s is  an d   d esi gn, ”  IE E E   C o n t ro l Sy s t e m s Ma ga zine ,  vol.   2 6 ,   p p .  32-4 1 ,   F e b  20 06 .  [15]   P .   V .   Go ppi,   et al. ,   “M od el  b ased  t u n i n g   o f  P ID  c o n t r o l l e r,”  Jo urnal  of Co ntro l a n d  Ins t r u m e ntati o n ,  vo l.  4 ,  n o .  1 ,   2 2 2 9 -6 97 2,   J an 2 01 3.   [16]   B.   N agraj,  et  al ., “  T uning  a lgorthims  f o r  PID  co n t r o l l e r  u s i n g  s o f t   c o m p u t i n g   t ech ni qu es,  ”  Inter n a t i onal jo ur nal  of c o mpu t e r   sc ie nc e  a n d   ne two r k   the o ry   , v o l   . 08,  n o.   6 ,  p p   1 40 -145,   A pril  2 0 0 8 .  [17]   G.  A ru nk um a r ,  et al . ,  “ P aram eter  o p timi zati on  of   t hree  ph ase  b o o s t  in vert e r   u s i n g   g enet ic  a l g o r ithm   f o r  li near  lo a d s , ” E n er gy Pro c ed ia , vo l .   9 0 ,   pp .  5 5 9 -5 65 , Dec 20 1 6 .   [18]   T.   H .   K i m,   et al. ,   “ R obu st  P ID  c o n t r oll e r  tu nin g   b a s ed  o n  th e  co ns train e d  part ic l e   s wa rm  opt i mi zation , ” A u to ma ti c a ,   vol.  4 4 ,   n o .   4 ,  p p .  1 104-1 1 1 0 ,   A pr  2 008.   [19]   N .   T .  Ng uy en  a nd   H .   H.  L ee,  “ F u zzy   P I  Cont ro l l er  f o r   G rid - Co n n e ct ed  I nv erter s ,”  I nt ernati on al  Co nfer ence o n   Intelli gent Comp uti n g ,   pp.   3 00 -3 08 ,   2 01 1.  [20]   S.   M .   Ay ob ,  et a l .,   “ Invert er  C ont rol  usi n g  A   Si m p li fi ed  F uzzy  P I  Controll er,”  IET  In t e rn ation a l Co nf eren ce  o n   P o wer   El ectr onics, M a ch in es  a n d  Drives , p p . 19  - 21 , Ap r il 20 10 .   [21]   H.  S ha r e e f ,  et  a l . ,   “ L i ghtn i ng  s earch   a lg orith m, ”  Ap pl ied Soft   Co mput in g ,   vol.  3 6 ,   pp .   3 1 5 -3 33 ,  Nov  201 5.   [22]   H .   S h a reef ,  et al .,   “ A  Na tu r e   I n s p i r e d  He ur ist i c   O p timizati o n   A l gorit h m   B as ed  o n L i g ht ni n g , ”   T h ird  In ter nat io nal   Conf erence on A r t ifici a l   In t e l lig ence, M odeling and Si mulation ,   p p . 9-1 4 , 2 01 5.   [23]   M.   A sna ,   et  a l . ,   “ A nal y s i s   an d  des i g n   o f   si ngle  ph ase  vo ltag e -f requen c y  con v e r t e r  with  o p timi zed  P I  cont roller,”     In ter n a t io nal Jour na l o f  P o wer  El ectro n i cs  a n d   Dr ive S y s t ems ,  v o l.   1 0 ,   n o.  1 ,  p p .  52 2-52 9,   M ar  2019.   [24]   S.   A .  Zulki f li ,  et a l . ,   “ M A T LAB-Ard u in o  as   a   l ow   c o s t   mi croco n tro l l e r  fo r  3  ph ase  in v ert e r,”  IEEE  Student   Co nf erence on Res e a r ch   an d  D evelo p men t , p p.  1 - 5 , 20 1 4 .   [25]   N .   M .   Ab del - Ra him   and   J.  E .  Quai coe,  “ A n al ysis   a nd   d esig n  o f   a   m u lti p l e  f eedb ack  l oo p  con t rol   strat e gy  f o r  sing le -p ha se   v o lta ge -so u rc e   UPS   in ve r t e r s,”   IEEE  Tra n s a cti o n s  on  P o wer E l ectron i cs ,   v o l .   1 1,   pp.   5 3 2 -5 41,   J ul y   19 96 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.