Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  6, N o . 3 ,  Sep t em b e r   2015 , pp . 61 5 ~ 62 I S SN : 208 8-8 6 9 4           6 15     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  Simulation and dSPACE Based  Implementation of Variou PWM St rategies for a New H-Typ e  F C ML I Top o logy      C. R. B a lam u r u gan * S.P.  N a t a r a j a n * *, B.  Sh ant h i**, T . S.  An and h i**  * Departm e nt  of   Ele c tri cal  and  E l ectron i cs  Eng i neering, Arunai En gg. College,  India  ** Departmen t  o f  ElE, Annamalai  Uni v e r sity , Chida m ba ra m,  India      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  May 16, 2015  Rev i sed  Ju l 12 20 15  Accepte J u l 26, 2015      Depending on the number of l e vels in  output voltage, inverters can be  divided  into tw o categories: tw o leve l inv e rte r  and Multi  Lev e l Inver t ers   (MLIs). An inverter topolog y  fo r high  voltage and high power applications   that seem s to be gaining inter e st  is  the MLI. In h i gh power and high voltag e   applications, the two level inver t ers  have some limitations in operating at  high frequency   mainly  du e to switching  losses and constraints  of device  rating . In th is pa per,  a thr e e  phas e  H  ty pe FC MLI (Fly ing Capacitor MLI)   using sinusoidal refer e nce,  th ir d harmonic injection r e fer e nce, 60 degree  referen c e and  stepped wa v e  referen c e   ar e initi all y  dev e lo ped  using   S I M U LINK and then  im plem ent e d in  re al time environment usin g dSPACE.  In   H-typ e  FC MLI with  R-load  it is in ferred  th at b i po lar  COPW M - C   pr o v i d es  out pu t  wi t h  rel a t i v el y  l o w di st o r t i o n f o 60  de gre e  refere nc e   and  bi pol a r  C O P W M - C  st ra t e gy  i s  f o un t o  pe rf o r m  bet t e r si nce  i t   pr o v i d es rel a t i v el y   hi ghe r fu ndam e nt al   R M o u t p ut  v o l t a ge fo T H I   refe rence .   Th five  level ou tput voltages of   the   chosen MLIs ob tain ed using   the MATLAB and dSPACE  based PW M (Pulse Width Modulation )   strateg i es and th e corresponding  %T HD (Total  Harmonic Distortion), V RMS   (fundamental) ,   CF (Crest Facto r) a nd FF (Form Factor) ar e p r esented  an d   anal yz ed . Keyword:  C ont r o l  Des k   dSP A C E   FCMLI   H-Ty pe   RTI   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 C.R. Balam u ru g a n,    Depa rtem ent of Electrical a n d  El ect ro ni cs E n gi nee r i n g,   Ar un ai  En gi ne eri n g C o l l e ge,   Tiruvannam ala i , India.  Em a il: crb a lain 2 010 @g m a il.c o m       1.   INTRODUCTION   Si nce, t h e m u l t i l e vel  conve rt e r  has bee n  i n t r od uce d   i n  t h e y ear of 1 9 7 5 .  I t  conve rt s DC - t o- AC  whi c h   requ ires m a n y  DC so urces and  su m s  th e m  to   o u t p u t   a tim e - v a ryin g wav e . Mu ltilev e l con v e rters h a v e  a lo t of  ad v a n t ag es to   o f fer i n  m e d i u m - to  h i g h -vo l tag e  ran g e   of ap p lication s . The term   m u l tile v e l states th at  p o wer  co nv ersion s are p r o d u c ed  b y  u tilizin g  m u lt i p le sm a ll v o lta g e  lev e ls. Sm a ll v o ltag e  step  mak e s th m u ltilev e l   i nve rt er has t o  wi t h st a nd  bet t e r v o l t a ge , fewe r ha rm oni cs , l o we r swi t c hi n g  l o ss es, el ect rom a gnet i c   com p atibility, voltage  with  high  capa b ility  and  good power quality.  Multilevel converters can synthesiz e   wav e fo rm s u s in g  m o re t h an  two   vo ltage lev e ls. C ontro l sch e m e s e m p l o y ed  i n   m u l tilev e l co nv erter  appl i cat i o ns  i n cl ude, P W M  and Li ne  f r e q uency   c ont rol .  Th e form er  allo ws  v a riatio n   of ou tpu t   v o ltage  whe r eas the lat t er does not.  In ge ne r a l, PWM co n t ro l r e quir e s th e use of   m o re than one  carrier  wa veform   to   cater fo r t h variou s lev e ls.  Th is m u ltilev e l in v e rter  p r odu ces  AC  o u t p u t v o ltag e  in  step p e d   wav e  (staircase  sha p e) get  fr o m   si nusoi dal  w a vef o rm   B a t s chaue r  et  al ., [1]   pr op ose d  a l a rge  p o rt i on  of e n e r gy  c a n be  pr ocesse d by  t h VS I b y  em pl oy i n g   a single m u lti-pulse  rectifier,  while sm aller  powe r sha r es  a r e processe d within the  half-bridge m odules. Thus 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 . 3, Sep t em b e r  2 015  :   61 5 – 624  61 6 th e requ irem en ts for g a l v an i cally  in su lated d c  so urces  are reduced. Changliang Xi a e t  al ., [2]  pr op ose d  a  bo ost  t h ree - l e v e l  ch op per   on   t h e f r ont   of  a t h ree - l e vel   di o d e -cl a m p ed i n v e rt er i s   use d  a n d  t h e  swi t c h - si gna l   pha se del a y   cont rol  i s  bal a nci n g t h n e ut ral  p o i n t   pot e n t i a l  of t h ree - p h ase i n vert er  base on t h charact e r i s t i c s of b o o st  t h ree - pha se ch op per .  As t h e bo ost  cho p p er i s  al so use d  f o r m a xi m u m  powe r   poi nt   track ing ,   th e co n t ro ller with  d u a PI regu lato rs  is  de signe for t h chopper. Da voodnezha d  et  al., [3]   pr o pose d  a co nt r o l l e r whi c h  achi e ves a l i n e-t o -l i n harm oni c pe rf o r m a nce t h at  i s  ver y  cl ose t o  ope n-l o o p   pha se dis p osition pulse  width m odulation,  while  retaining  all of t h dynam i c benefits  of hysteresis  c u rrent   r e gu latio n. Ewan chuk  an d   Sal m o n  [4 ] pr oposed  a thr e e- ph ase p a r a llel in v e r t er  system  can  b e   o p e r a ted   usin g   a sing le three-li m b  cou p l ed in du ctor, sign ifican tly  im p r ov ing  t h e sy ste m  p o w e r co nv er sion   d e nsity.  Ghaza n f ari  et   al ., [ 5 ]  p r op os ed a n  i nve rt er  co nfi g u r at i o n  i s  capa b l e   of  ge nerat i n g l o di st ort i o n,   near - si nus oi d st ep p e d o u t p ut  vol t a ge eve n  wi t h  fu n d am ent a l  freque ncy  swi t c hi n g . The t o t a l  harm oni c di st ort i o n   (THD), switchin g  l o sses, fault-to lera n t   featu r e of th e prop o s ed  m u ltilev e l in v e rter-b ased   p o wer su pp ly is  co m p ared   with th at of th e conv en tion a l two-lev e l inv e rt er-based  powe r s u pplies.  Gupta e t  al., [6] proposed a   gene ralized m u ltiband  hysteresis m odulation a n d its cha r acterization  ha ve  been proposed  for the  sliding- m o d e  co n t ro l  o f  cascad e d H-bridg e  m u ltilev e l-in v e rt er (C HBMLI)-co n t ro lled syste m s. Net h y steresis  ban d w i d t h  f o r a gi ven  desi re d m a xim u m  swi t c hi n g  fre q u e n c y o f  th e inv e rter is d e termin ed . Haseg a wa and  Ag ak i [7 ] propo sed  th d c  mean  vo ltag e s of all th e fo ur sp lit d c  cap acit o rs can   b e   b a lan ced, ind e p e nd en t   of  i nve rt er c ont r o l .  Ji n   W a n g   and   Aham adi [8]  based on  equal a r ea c r i t e ri a an har m oni c i n ject i o n. T h e   m a xim u m  of fi ve swi t c hi n g  a ngl es s h o w  t h a t  t h e pro p o s ed  m e t hod can  be use d  t o  achi e v e  excel l e nt  har m oni eli m in atio n  p e rfo r m a n ce. Ui-Min  Ch o i  et al., [9 ] p r esen t e d  a stron g   balan c in g  ab ility at a ll reg i o n s an furthe rm ore it  is very sim p le to  im plem ent in  both s p ace ve ctor m odula tion and carrier-based P W M m e thods.   Zou b i r et al., [10 ]  su gg ested a n e w m u lt ile v e l activ e p o wer filter u s ing  switch e s m e t i cu lou s ly co n t rolled .   Heru   Prat o m o  et al.,  [11 ]  prop o s ed a sim p le strateg y   of co n t ro lling  a b a lan ced vo ltag e  cap acitor i n  sin g l pha se fi ve-l e v e l  i nve rt er.       2.   H-TY PE  F C MLI (Flyin g Ca paci to r Multi Lev e l Inv e rter)  Meyn ar d an Fo ch  i n tr odu ced  a f l ying - c ap acito r b a sed  in v e r t er  i n   1 9 9 2 . Th e stru ctu r of   th is  i nve rt er i s  sim i l a r t o  t h at  of  t h e di o d e-cl am ped i nve rt er e x cept  t h at  i n st ead o f  usi ng c l am pi ng di ode s, t h e   inve rter  uses c a pacitors in  their place. The  circuit topol ogy of the  H-type flying capacitor m u ltilevel inve rter  is shown in Fi gure 1. T h is topol ogy has a ladde r stru cture  of DC side ca pacito rs  whe r e  the voltage on each  capacitor  diffe r s from  that of the ne xt capac itor. T h e voltage inc r em ent  between two a d jacent ca pacitor legs  gi ves  t h e  si ze  of  t h e  v o l t a ge  st eps  i n  t h out put  wa vef o rm . One  ad va nt age  o f  t h fl y i ng ca paci t o r  base d   in v e rter is th at it  h a s redu nd an cies for inn e r vo lta g e  lev e ls; in  o t h e r wo rd s, two   o r  m o re v a lid switch   co m b in atio n s  can  syn t h e size an   o u t p u t   vo ltage. Tab l e 1 shows a list  o f  all  th e co m b in ation s   o f  ph ase  vo ltag e   lev e ls th at are po ssib l for th e circu it  sh own  in  Figure  1. T h ese  re dundancies  allow a  choice of  char gi n g / d i s c h argi ng s p eci fi c  capaci t o rs a n d can  be i n c o rp orat e d  i n  t h e cont rol  sy st em  for  bal a nci ng t h e   v o ltag e s acro s s th e v a ri ou s lev e ls. In  ad d i t i o n  to  t h e (m -1 )/ 2  DC link  cap acito rs, th m - lev e l FCM L I will  requ ire (m -1 × (m -2 )/2  aux iliary cap acito rs p e r ph ase if  th e v o ltag e  ratin g  of th e capacito rs is id en t i cal to   th at of th e m a i n  switch e s.      Tab l 1 .   H-type flyin g  cap aci to r m u ltilev e l i n v e rter  - switch e s states and   o u t p u t   vo ltag e   lev e ls  S a1  S a2  S a3  S a4  S b1  S b2  S b3  S b4  V ao  V bo  V ab   =V RN   1 1 1  - 1 /2  Vdc  1/2Vdc   - V dc  1 1 0  - 1 /2  Vdc  - 1 /2  Vdc  0 1 1  1/2  Vdc  - 1 /2  Vdc  1 0 1  - 1 /2  Vdc  1/2  Vdc  0 0 1  1/2  Vdc  1/2  Vdc  1 1 0  - 1 /2  Vdc  - 1 /2  Vdc  0 1 0  - 1 /2  Vdc  - 1 /2  Vdc  0 0 0  1/2  Vdc  1/2  Vdc  1 0 0  - 1 /2  Vdc  1/2  Vdc  1/2 Vdc  - 1 /2 Vdc   Vdc    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Si m u l a t i o n an d   d S PAC E Base d Im pl eme n t a t i on   of  Vari ou s PWM St rat e gi e s   f o r…   ( C .R. B a lamur ugan)   61 7     Fi gu re  1.  Si n g l e  p h ase  H-t y pe  fl y i ng  capaci t o r  m u l t i l e vel  i nve rt er       3.   SIM U LATI O N  RESULTS  AN D A NAL Y S IS   Th e sim u lated  o u t pu t vo ltage is sh own  for on ly o n e  sam p le v a lu e o f   m a =0.8. T h e  following  param e t e r val u es are use d  fo r  sim u l a t i on:  V dc  = 4 4 0 V ,  R( l o ad )  = 100  oh ms, C 1  = C 2  = C 3  and C 4  = 1 000  e-3   Fara d, f c  =2000  H z  and  f m   = 50 Hz . Fi g u r e 2 sh o w s t h e sam p l e  fi ve l e vel  out p u t  v o l t a ge ge nerat e d by   PDP W M  st rat e gy  wi t h  si ne  refere nce a n d  i t s  FFT pl ot  i s  sho w n i n  Fi gu re 3 .  Tab l es 2 t o  5 s h ow t h e   com p arison  of %THD, V RMS  ( f u n d am ental), CF an FF  fo diffe re nt P W M  strategies  with  va rio u refe re nces.         Fi gu re  2.  Sam p l e  out put   v o l t a ge  gene rat e d  b y  PDP W M  st ra t e gy  f o H - t y p e  FC M L wi t h   si ne re fere nce         Fi gu re 3.     F F T pl ot  fo r out put  vol t a ge   ge ne rat e d by   P D P W M   st rat e gy  fo r H- t y pe  FC M L I w i t h   si ne refe re n ce    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 . 3, Sep t em b e r  2 015  :   61 5 – 624  61 8 Tabl 2. %  T H of  o u t p ut   vol t a ge (R -p hase of  H - t y pe FC M L I f o vari o u s  val u es  of  m a  (R -l oa d,   by   si m u latio n )   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1 27. 38   27. 30   27. 96  32. 29   31. 59   26. 02   27. 53 27. 4 28. 92 28. 67 29. 0   31. 12   32. 34   30. 81   29. 0   28. 9   0. 34. 20   34. 10   34. 67   38. 81  36. 50   29. 97   33. 38 34. 0 36. 31 35. 78 36. 08   36. 17  37. 27   34. 84   36. 1   36. 3   0. 39. 12   38. 88   39. 36   45. 59  41. 48   33. 94   39. 01 39. 0 41. 89 41. 73 42. 21   41. 71  41. 16   38. 01   41. 9   42. 0   0. 42. 85   42. 66   43. 01   55. 42  47. 33   37. 14   42. 17 43. 2 44. 93 44. 85 45. 28   51. 14  44. 56   40. 70   45. 1   44. 9   0. 44. 98   45. 03   45. 01   66. 62  55. 71   40. 67   44. 88 45. 0 43. 70 43. 24 43. 66   60. 39  51. 17   43. 38   43. 7   43. 7   m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1 22. 57   22. 21   22. 61  26. 75   27. 98   23. 56   22. 55 22. 6 24. 67 25. 54 24. 66  29. 65   31. 53   25. 47   25. 0   24. 6   0. 31. 69   31. 47   32. 09   33. 33  34. 41   29. 59   31. 93 31. 7 33. 76 33. 71 33. 32   38. 81  36. 02   29. 82   33. 2   33. 80 0. 38. 26   38. 11   38. 38   38. 47  38. 70   33. 13   38. 86 38. 3 39. 68 39. 12 39. 29   46. 81  40. 01   31. 88   39. 4   39. 9   0. 42. 66   42. 38   42. 69   47. 17  42. 91   36. 16   42. 69 42. 6 42. 41 42. 03 42. 77   56. 28  47. 72   37. 16   42. 9   42. 6   0. 43. 46   43. 18   43. 78   58. 71  46. 94   39. 31   42. 66 43. 2 46. 88 47. 56 46. 92   68. 12  54. 42   40. 49   45. 5   47. 1       Tabl e 3.   V RMS  (f un dam e nt al of   o u t p ut  vol t a ge (R - phase ) o f   H - t y pe FC M L I fo r vari ous  val u es   o f   m a  (R-load ,   by  si m u l a t i on)   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD  POD   APO D   CO- A   CO-B   CO- C PS   VF  PD  POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1 308. 9   308. 8   308. 4  315. 8   331. 7   332. 3   309. 1 308 359   359   359. 4  363. 5   369. 4   369. 8   358   358. 8 0. 277. 4   277. 3   276. 9   288. 2  310. 4   311. 2   277. 7 277 322. 6 322. 7 323   335. 5  345. 2   345. 6   323   322. 5 0. 245. 6   246   245. 5   258   286. 6  287. 8   245   245 285. 6 286. 3 286. 2   305. 2   322. 1  323. 2   285   285. 8 0. 213. 6   213. 3   213. 6   221. 1  259. 8   260. 5   214. 4 213 249   249   249. 1   264. 8  297. 4   298. 9   249   249. 4 0. 182  181. 6   182   182. 5   231. 1   233   180. 5 182 212  211. 7 211. 8   219. 1   267. 5   268. 5   211   212. 2 m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD  POD   APO D   CO- A   CO-B   CO- C PS   VF  PD  POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   363. 5   363. 3   1652. 2   365. 5  372. 2   356. 7   363. 4 363 313. 6 309. 1 307. 9   318. 8  333. 6   332. 3   312   313. 6 0. 326. 2   326. 6   881. 3   336. 4  345. 1   331   326. 9 326 280. 5 278. 5 276. 9   288. 8  307. 4   306   279   280. 3 0. 8 289   288. 9   506. 8  306. 3   321. 7   308. 8   290. 1 289 248. 6 250. 4 247. 8  259. 7   287. 5   285. 5   249   248. 1 0. 251. 8   251. 6   310. 4   267. 8   296. 7  283. 8   251. 9 251 218. 1 221. 8 218. 4   226   260. 3  260. 5   218   217. 5 0. 214. 6   214. 7   193. 2   222. 1  271. 1   257   214. 3 214 185. 7 188. 1 186   186. 5  233. 8   235. 4   186   185. 1     Tabl 4.   C F   of  o u t p ut  v o l t a ge  (R - p hase)  o f   H-t y pe  FC M L I  f o va ri o u val u es  of  m a  (R -l o a d,  by  si m u l a t i on )   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD   POD  APOD   CO- A   CO-B   CO- C   PS   VF   PD   POD  APOD CO- A   CO-B   CO- C   PS   VF   1. 414   1. 414   1. 414   1. 413  1. 413   1. 414  1. 414  1. 41  1. 414  1. 414   1. 414   1. 414  1. 414   1. 414  1. 414  1. 414   0. 1. 414   1. 414  1. 414   1. 414   1. 413   1. 4142 1. 4141 1. 41   1. 4141 1. 414  1. 414  1. 414   1. 4142   1. 4140   1. 414   1. 4142 0. 1. 414   1. 414  1. 414   1. 413   1. 414   1. 4141 1. 4142 1. 41   1. 4142 1. 414  1. 414  1. 414   1. 4141   1. 4142   1. 4143 1. 4142 0. 1. 414   1. 414  1. 414   1. 414   1. 414   1. 4142 1. 4141 1. 41   1. 4144 1. 414  1. 414  1. 414   1. 4142   1. 4142   1. 139   1. 4141 0. 1. 414   1. 414  1. 414   1. 413   1. 414   1. 4141 1. 4144 1. 41   1. 4141 1. 414  1. 414  1. 414   1. 4138   1. 4141   1. 4145 1. 4142 m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD   POD  APOD   CO- A   CO-B   CO- C   PS   VF   PD   POD  APOD CO- A   CO-B   CO- C   PS   VF   1. 414  1. 4142   1. 4140   1. 4142  1. 4142   1. 4140 1. 4144 1. 414 1. 4142 1. 4141 1. 4140 1. 4140  1. 4142   1. 4142  1. 4144 1. 4142 0. 1. 414  1. 4139   1. 4142   1. 4140  1. 4143   1. 4141 1. 4141 1. 413 1. 4139 1. 4143 1. 4145 1. 4141  1. 4141   1. 4143  1. 4140 1. 4141 0. 1. 414  1. 4143   1. 4143   1. 4139  1. 4143   1. 4145 1. 4139 1. 414 1. 4139 1. 4141 1. 4144 1. 4143  1. 4142   1. 4143  1. 4146 1. 4139 0. 1. 414  1. 4145   1. 4143   1. 4141  1. 4142   1. 4143 1. 4140 1. 414 1. 4140 1. 4143 1. 4143 1. 4141  1. 4141   1. 4142  1. 4145 1. 4142 0. 1. 414  1. 4145   1. 4139   1. 4142  1. 4142   1. 4143 1. 4143 1. 414 1. 4141 1. 4141 1. 4145 1. 4144  1. 4140   1. 4141  1. 4142 1. 4143     Tabl 5.   FF  o f  o u t p ut  v o l t a ge  (R - p hase)  o f   H-t y pe  FC M L I  f o va ri o u val u es  of  m a  (R -l o a d,  by  si m u l a t i on )   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD  POD   APO D   CO- A   CO-B   CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   792. 0   701. 8   685. 3   45. 90   1184. 6   I N I N 404. 6   I N 1631 1562. 6 98. 50   2462. 6  I N F 3581 0 2990   0. 9 533. 4   462. 1   453. 9   30. 49   862. 22   I N 2777 0   533. 4   2304   827.   807. 5   59. 91   1380. 8   I N I N 1007.   0. 8 279. 8   311. 3   21. 7   21. 16   636. 88   I N 2450 0   351   446. 2   485.   477   38. 05   894. 7   I N 2850 0 408. 2   0. 7 284. 8   213. 3   211. 48   12. 77   463. 92   I N 2144 0   239. 4   503. 1   383.   289. 6   19. 27   619. 5   I N 2498 0 300. 4   0. 6 176. 6   146. 4   146. 77   7. 753   355. 53   I N 1805 0   152   322. 3   177   177. 98 9. 78   453. 3   I N 2118 0 228. 1   m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD  POD   APO D   CO- A   CO-B   CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   I N 1730   1652. 2   100. 1   2658. 5   I N I N 2796. 1 1568 0 657   699. 7   48. 30   1235. 5  I N F 1040 0 627. 3   0. 9 858. 4   882. 7   881. 3   60. 61   1380. 4   I N 1634. 5 881. 3   475. 4   464   477. 4   32. 93   768. 5   I N 2799 0 2548. 1 0. 8 672. 0   515. 8   506. 8   39. 52   919. 1   I N I N 444. 7   147. 1   329   427. 2   22. 46   598. 9   I N 2496 0 322. 2   0. 7 387. 3   310. 6   310. 4   21. 89   659. 3   I N 8396. 6 426. 9   84. 53   233   240   13. 90   456. 6   I N 2188 0 148. 97 0. 206. 3   193. 4   193. 2   10. 83   475. 6  I N I N 206. 3   70. 87   160   163. 1   8. 68   354. 2   I N F 6220   107. 61   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Si m u l a t i o n an d   d S PAC E Base d Im pl eme n t a t i on   of  Vari ou s PWM St rat e gi e s   f o r…   ( C .R. B a lamur ugan)   61 9 4.   dSPACE B A SED IMPLEMENTATION  The  req u i r e d   o ffl i n si m u l a tions  o f   gat e  si g n al  ge ne rat i o n   bl oc ks/ m odel s  fo r t h e  ch ose n   fi ve l e vel   in v e rter using   v a ri o u s   PW strateg i es are i n itially carried  o u t   u s ing  SIMULINK. Th m o d e ls d e v e l o p e d  in  SIM U L I NK a r e t h en com p i l e d, d o w nl oade d  and e x ecut e d i n  real  t i m e  on dSP A C E  sy st em . Si nce dSP A C E   syste m  can be  easily interfac e d wit h  SIMULINK,  a ‘b u ild ’  fun c tion  in  SIMULINK au to m a tical ly c o nv erts  any  S I M U L I N K  m odel  i n t o  a  t a rget e d  C  c o de  usi n g t h re al  t i m e  wor k s h op  o f   dS PAC E  sy st em . The C  co de   becom e s sourc e  for t h real t i m e  interface  of dSPAC E   sy ste m , whic with the  help of a C c o m p iler/linker,  pr o duces a nd  do w n l o a d s t h e   m achi n co de in  th e d S PACE bo ard .  Fin a lly to  read  o r  write th e in tern al   vari a b l e s of t h e cont r o l  sy st em , dSPAC E  c o nt r o l  desk  pr ov i d es a user f r i e ndl y  G U I en vi ro nm ent  t h at  enabl e s   th e u s er t o  ob serv v ital d a ta in  th syste m . Th e ex te rn al  v o ltag e  in  t h r a ng - 10V  to   +1 0V  ar e co nver t ed  in to  qu an tized   v a lu es in  th e ran g e  -1V to  +1V for ADC and  v i ce v e rsa  for th e DAC un it o f  d S PACE syste m .   Hence   gai n s  o f   0. 1 a n d   10  a r e i n cl ude d  t o   com p ensat e  f o r t h i s  si g n al  c o n v e r si o n .  The  ge nerat e d s w i t chi n g   pul ses a r e t a ke n f r om  t h e DA C  or i n p u t / out put   po rt s o f  d SPAC E  sy st e m  and fe d t o   p u l s e am pl i f i e rs bef o r e   bei n g a ppl i e d t o  t h e  gat e s  o f   M O SFET s   of t h pr ot ot y p es   of  t h e c h osen  i nve rt ers .       5.   HA RD WA RE  RES U LTS   Thi s  sect i o pr esent s  t h e  res u l t s  of e x peri m e nt al  w o r k  ca r r i e out   o n  c h ose n  H - t y pe  F C M L I usi n g   dSP A C E   DS 1 1 0 3  c ont rol l e r  boa r d . T h e r e sul t s  o f  t h e e xpe ri m e nt al  study  a r e sh o w n i n  t h e  f o rm  of t h o s cillo gram o f  PWM ou t p u t o f  ch osen  MLI an d   co rresp ond ing  h a rm o n i c sp ectra. Exp e rim e n t s are  p e rf or m e d  w ith  ap pr opr iate m (sa m e as in  sim u latio n  stud ies)   a n d f o r di ffe ren t  values  o f   m a . The   corres ponding V RMS  (fu nd am ent a l )  of  out pu t  vol t a ges an t h ei % THD and CF val u es  are calculated (from   t h e FFT  spect r u m  obt ai ned ) , t a bul at ed  an d a n al y zed. T h e e xpe ri m e nt al  ou t put   vol t a ges  a nd t h e c o r r es p o n d i n harm onic s p ec tra are s h own  for only one s a m p le value  of  m a =0 .8 . Figu re 4  sh ow the en tire h a rd ware setu fo r H - t y pe FC M L I. Fi gu re 5  t o  8 s h ows t h e sam p l e  experi m e nt al  out pu t  vol t a ge  of c hos en M L I o b t ai ne d   usi n dS PAC E / R TI  wi t h  t r i a ng ul ar  car ri er  PD P W M  st ra t e gy  an si ne,  TH I,  6 0   de gr ee an st ep pe wav e   refe rence .  Ta b l es 6  –  8 s h o w  t h e  com p ari s on  o f  % T H D ,  V RMS  (f u nda m e nt al ) an d C F  f o r  di f f ere n t  P W M   strateg i es with   v a ri o u s   references. Figu res  9  to  11  d i sp lay th e co n t ro l d e sk   settin g s , bu ilt fu n c tion  settin gs and  v a riation s   o f  mo du latin g sign als.  The f o l l o wi n g  param e t e r val u es are us ed  for e x peri m e nt at i on:  V dc = 3 0V  i n  vi ew o f   l a bo rat o ry   li mitatio n s , R(l o ad)=1 0 0 , f c =2 000 H z  and   f m =50Hz, m f =40.      Fi gu re  4.  Ent i r e ha rd ware  set u p  f o r  H - t y pe  FC M L I       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 . 3, Sep t em b e r  2 015  :   61 5 – 624  62 0     Fi gu re  5.  Sam p l e  out put   v o l t a ge  of  H - t y pe F C M L I wi t h  P D P W M  st r a t e gy   (m a =0.8, si ne  r e f.)           Fi gu re  6.  Sam p l e  out put   v o l t a ge  of  H - t y pe F C M L I wi t h  P D P W M  st r a t e gy   (m a =0 . 8 ,  TH I ref .         Fi gu re  7.  Sam p l e  out put   v o l t a ge  of  H - t y pe F C M L I wi t h  P D P W M  st r a t e gy   (m a =0.8,  60 de gree  re f.)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Si m u l a t i o n an d   d S PAC E Base d Im pl eme n t a t i on   of  Vari ou s PWM St rat e gi e s   f o r…   ( C .R. B a lamur ugan)   62 1     Fi gu re  8.  Sam p l e  out put   v o l t a ge  of  H - t y pe F C M L I wi t h  P D P W M  st r a t e gy   (m a =0.8, ste p ped  wave  re f. )           Fi gu re  9.  d S A P C E  scree n  t o   set  t h e am pl i t ude  of  t h e m o d u l at i ng si g n al           Fig u re 10 . d S APCE  screen   t o  set  th e b u ilt  fun c tio   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 . 3, Sep t em b e r  2 015  :   61 5 – 624  62 2       Fi gu re 1 1 . dS A P C E   scree n  wi t h   co nt r o l  desk   o p t i o n       Tabl 6. %  T H of  o u t p ut   vol t a ge (R -p hase of  H - t y pe FC M L I f o vari o u s  val u es  of  m a  (R -l oa d,   by   si m u latio n )   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1 21. 79   16. 58   22. 91  30. 41   20. 61   20. 61   7. 07   7. 07 18. 02 13. 22 11. 99  16. 58   8. 66   13. 22   11. 2   8. 66   0. 23. 45  22. 36   22. 36   33. 16   27. 38   28. 28   8. 66   9. 01 22. 27 15. 55 14. 73   18. 2   13. 22   29. 15   12. 4  13. 22 0. 26. 62   23. 97   23. 45   33. 54  30. 16   34. 64   11. 45 10. 3 25. 23 17. 02 17. 32   19. 36  15. 81   38. 40   14. 1   15. 81 0. 29. 15   24. 67   28. 1  37. 74   31. 62   39. 83   13. 22 11. 1 26. 92 19. 97 20. 0  21. 21   31. 51   49. 43   18. 4   21. 79 0. 30. 41   30. 0   30. 0  46. 57   34. 17   47. 95   35. 36 15. 0 30. 26 20. 68 20. 5  26. 45   33. 06   51. 42   24. 1   27. 45 m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   13. 22  10. 0   7. 90   27. 18   18. 02   18. 70   12. 24 16. 5 25. 0  19. 36 22. 91   25. 0   25. 49   29. 15   8. 66  7. 70   0. 19. 36   11. 18   8. 66   30. 17  23. 97   23. 16   13. 46 19. 9 28. 24 22. 91 22. 36   34. 27  27. 83   33. 6   14. 1   8. 66   0. 20. 61  20. 0   15. 81   36. 22   29. 58   27. 49   14. 14 28. 2 29. 5  27. 38 27. 83   35. 0   30. 0   36. 79   15. 0  10. 0   0. 24. 49   27. 83   18. 02   47. 63   32. 97   39. 61   18. 6   28. 7 36. 40 28. 28 29. 1   44. 65  32. 5  37. 08   19. 3   13. 22 0. 30. 2  30. 14   21. 21   48. 67   41. 25   46. 36   24. 3  35. 6 39. 6   30. 38 30. 82   46. 09   35. 70   43. 08   26. 2   15. 81     Tabl e 7. V RMS  ( f u n d am ent a l )   o f  out put  v o l t a g e   (R - p hase)   o f  H-t y pe   FC M L I   f o r va ri o u s val u es of   m a  (R-lo a d,  by  si m u l a t i on)   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   10. 7   10. 8   10. 6   11. 3  11. 4  10. 8   10. 5 10. 6 12. 2   12. 1   12. 0   12. 7  12. 4   12. 7   11. 5   12. 2   0. 9. 87   9. 84   9. 67   11. 1  11. 0  9. 76   9. 45 9. 75 11. 21 11. 1   11. 2   12. 0  11. 9   11. 6   10. 4   11. 23 0. 9. 07   8. 77   8. 56   10. 5  10. 6  8. 95   8. 82 8. 82 10. 52 10. 5   10. 2   11. 4  11. 5   10. 2   9. 82   10. 4   0. 8. 8. 32   8. 06   9. 78  9. 78  8. 09   8. 01 7. 92 9. 56   9. 39   9. 18   10. 3  10. 2   9. 9. 01   9. 37   0. 6. 97   7. 10   7. 11   9. 04  8. 97  7. 17   7. 11 7. 16 8. 45   8. 49   8. 23   9. 23  9. 45   9. 8. 11   8. m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD   POD   APO D CO- A  CO-B  CO- C PS   VF   PD   POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   12. 4   12. 2   12. 3   12. 4  12. 9  12. 5   12. 2 12. 4 10. 8   10. 7   10. 9   11. 8  11. 5   10. 8   10. 7   10. 9   0. 11. 4   11. 4   11. 3   12. 3  12. 2  11. 3   10. 4 11. 4 9 . 5 0   9. 79   10. 2   11. 2  11. 2   9. 87   9. 31   10. 8   0. 10. 3   10. 3   10. 3   10. 8  11. 5  10. 6   10. 1 10. 3 9 . 0 5   8. 90   9. 02   10. 5  10. 8   8. 90   9. 27   9. 87   0. 9. 28   9. 23   9. 15   10. 7  10. 8  9. 85   9. 68 9. 14 8. 28   8. 00   8. 20   9. 90  10. 0   8. 42   8. 77   9. 08   0. 7. 91   7. 81   7. 84   10. 2  10. 0  8. 56   8. 97 8. 03 7. 08   7. 02   7. 02   9. 11  9. 18   7. 13   7. 78   7. 90             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Si m u l a t i o n an d   d S PAC E Base d Im pl eme n t a t i on   of  Vari ou s PWM St rat e gi e s   f o r…   ( C .R. B a lamur ugan)   62 3 Tabl 8.   C F   of  o u t p ut  v o l t a ge  (R - p hase)  o f   H-t y pe  FC M L I  f o va ri o u val u es  of  m a  (R -l o a d,  by  si m u l a t i on )   m a   Sinusoidal refer e n ce   Third har m onic i n jection  refe renc e   PD  POD   APO D CO- A   CO-B   CO- C PS   VF   PD  POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1. 420   1. 379   1. 603   1. 353  1. 5 1. 555   1. 619 1. 443 1. 377 1. 404 1. 491   1. 283   1. 395   1. 425   1. 573 1. 48 0. 1. 671   1. 504   1. 530  1. 567   1. 472   1. 772   1. 798 1. 507 1. 311 1. 684 1. 464  1. 416   1. 453   1. 560   1. 732 1. 59 0. 2. 050   1. 870   1. 880  1. 476   1. 471   1. 810   1. 927 1. 689 1. 416 1. 542 1. 529  1. 561   1. 504   1. 774   1. 843 1. 82 0. 1. 875   1. 899   1. 836  1. 758   1. 738   1. 953   2. 122 1. 931 1. 600 1. 810 1. 873  1. 519   1. 696   1. 905   2. 008 1. 93 0. 2. 266   2. 183   2. 095  1. 847   1. 694   2. 078   2. 390 2. 067 1. 751 1. 802 1. 834  1. 641   1. 830   1. 989   2. 231 2. 08 m a   60 degree PWM  r e ferenc e   Stepped  w a ve ref erence   PD  POD   APO D CO- A   CO-B   CO- C PS   VF   PD  POD A PO D C O- A C O-B   CO- C   PS   VF   1. 225   1. 229   1. 227  1. 266   1. 310   1. 224   1. 385 1. 395 1. 388 1. 383 1. 477  1. 271   1. 530   1. 611   1. 691 1. 70 0. 1. 385   1. 429   1. 318  1. 292   1. 254   1. 353   1. 673 1. 421 1. 578 1. 705 1. 539  1. 589   1. 553   1. 722   1. 718 1. 40 0. 1. 611   1. 524   1. 699  1. 555   1. 504   1. 443   1. 831 1. 436 1. 657 1. 719 1. 718  1. 514   1. 462   2. 101   1. 682 1. 50 0. 1. 799   1. 744   1. 715  1. 523   1. 453   1. 705   1. 735 1. 652 1. 799 1. 875 2. 256  1. 494   1. 61   1. 912   1. 812 1. 83 0. 2. 212   1. 907   2. 334   1. 647  1. 53  1. 775   1. 694 2. 129 2. 090 2. 435 2. 378   1. 964   1. 764   2. 089   2. 275 2. 02     6.   CO NCL USI O NS   Based  on  th e research  on  h ybrid  m u lti le v e l in v e rter to po log y , th is  work   p r esen ted  a g e n e ral   m u l tilev e l h y b r id  to po log y Accord ing  to  th e con t ro llab l e freedo m s g i v e n  in  th is g e neral h y b r i d  top o l o g y sev e ral  n e h ybrid  top o l og ies m a y  b e  co nstru c ted ,   wh ich  enrich es th e m u lt ile v e l in v e rter t o po log y   co llectio n .   In   H-typ e   FCMLI with  R - lo ad it is in ferred th at b i po lar  COPW M - C pro v i d e o u t p u t  with  rel a t i v el y  l o w di st ort i o n f o r 6 0  de gree  refe re nce an d bi pol a r  C O P W M - C  s t rat e gy  i s  fo un d t o  pe rf o r m  b e t t e r   si nce i t  p r o v i d es rel a t i v el y  hi ghe fu n d am ent a l  R M S out pu t  vol t a ge  f o r  T H refe re nce. T h hy bri d  t o p o l ogy  i s   si m u lated  u s ing  MATLAB  SIMULINK and  th en  im p l e m ented i n  real time using  dSPACE. T h results are  satisfacto r y.       REFERE NC ES   [1]   A.L. Ba ts chaue r et al .,  “Thr ee-Phase H y br i d  Multilev e l In verter Bas e d on Half-Bridge  Modules”,  IEEE   Transactions on  Indus trial Electronics , vo l. 59, n o . 2 ,  pp . 668-67 8, 2012 [2]   Xia Changliang Xia,  et al .,  “Neu tral-po i nt poten tial balancing of three- level inverters in direct-d riv e n wind ener g y   conversion s y stem”,  IEEE Transactions on   En ergy Conversion,  v o l. 26 , no .1, pp.  18 – 29 , 2011 [3]   R. Davoodnezhad,  et al. ,  “ A  Novel Thre e-Lev e l  Hy s t eres is  Current Regula tion  S t rateg y  for Thr ee-P h as e Thre e- Level Inv e rters”,   IEEE Transactions  on Power  Electronics , vo l. 2 9 , no . 11 , pp  61 00 – 6109 , 2014 [4]   J. Ewanchuk,  an d J. Salm on, “Three-l i m b  coupl ed operati on for  parall el m u lti- l e vel thr ee-ph ase voltage source inverters”,  IEEE Transactions on  Industrial  Electronics,  vol. 60  ,  no. 5 ,  pp . 1979  –  1988, 2013.  [5]   A. Ghazanf a ri et al .,  “ S im ple Voltage  Bal a n c ing Approa ch  for CHB Multil evel  Invert er C onsidering Low   Harmonic Content Based on  a Hy brid   Optimal  Modulation Str a teg y ”,   IEEE Tr ansactions on Power Delivery ,   vo l .   27, no . 4 ,  pp . 21 50-2158, 2012 [6]   R. Gupta,  et  al. ,  “Multiband h y steresis m odulat ion and swit chi ng char act erizat ion for sliding- m ode-controll ed   cas cad ed m u lt ile vel  invert er” ,    IEEE Transactions  on  Industrial Electronics , vo l. 5 7 , no . 7  pp. 2344  – 2353 , 2010 [7]   K. Hasegawa  an d H. Akagi, “A  Ne w Dc-Voltag e -Balancing C i r c uit In cluding A  Single Coupled  Inductor For  F i ve-Lev el Diod e-Clam ped PWM Inverter”,   IEEE Transactions on Indus trial  Applications , vol.  47, no. 2, pp . 84 – 852, 2011.  [8]   Jin W a ng and D.  Ahm a di, “A Pre c ise And Practic al  Harm onic Eli m i nation Metho d  For  Multilev e l  Inverters”,  IEEE   Transactions on  Industrial App lications , vo l. 46, n o . 2 ,  pp . 857  – 8 65, 2010 [9]   Ui-Min Choi,  et  al.,  “New Modulation Str a teg y   To Balan ce Th e Ne utral-Point  Voltage For Thr ee-Level Neu t ral- Clamped Inverter S y stems”,   I E EE  Transactions  on Energy Conversion , vol. 29 , n o . 1 ,  pp . 91  – 10 0, 2014 [10]   Zahzouh Zoub ir et al. ,  “ A  Ne w Multilevel A c tiv e Power Filter Us ing Switches Meticulousl y  Control l ed ”,   International Jo urnal of  Power  Electronics and   Drive System,  vo l. 6 ,  no . 1 ,  pp . 16 8-177, 2015 [11]   Heru Pratomo,  et al.,  “A Simple  Strateg y  of  Controlling  a Balanced  Voltag e  Cap a citor  in S i ngl e P h as e F i ve-L eve l   Inverter ”, vol. 6 ,  no.  1, pp. 160-1 67, 2015                           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 . 3, Sep t em b e r  2 015  :   61 5 – 624  62 4 BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       C. R.  Balamuru gan  was born in 1978 in Kumbakonam. He  h a s obtained  B.E  (Electrical and  Electronics) and  M.E (Power  Electron i cs and Drives) degrees in 2000 and 2005 respectiv ely   from Arunai En gineer ing Colleg e , Tiruv a nnamalai a nd Sath yab a m a  Universi ty , Chennai. He has  been working i n  the t each ing  field for  about  10  y e ars. His a r eas of int e rest  includ e power   ele c troni cs,  ele c t r ica l  m achin es a nd solar en erg y   s y stem s. He h a s 30 public ations  i n  intern ation a l   journals. His re search pap e rs 25 have been pr esented in va rio u s/IEEE in terna tional / nat i ona conferen ces .  Cu rrentl y ,  h e  is  working as  As s i s t a n t Professor in  the Department o f  EEE, Arunai  Engineering Co llege, Tiruvann amal ai.  He  is  a  li fe m e m b er of In strument Society  of  India and  Indian Society for Techn i cal Edu cati on. Contact  number-  +91-989452 2351. E-mail:  crbalain2010@g m ail.com.                S.P. Natarajan  was born in 1 955 in Chidambaram.  He has obtained B . (Electrical  and  Electronics) and  M.E (Power S y stems) degrees  in 1978 and 1984 respectively  fr om Annamalai   Universit y  secu ring distinc tion  and then Ph.D  in Power Electronics from Anna University Chennai in  2003 . He is curr ently   Professor and H ead of Instrumen t ation  Engin eering Department  at Annamalai University  where  he has put in 31   y ears of service. He produced eight Ph.Ds and   presently  guid i n g  eight Ph.D Scholars and so  far guided eighty  M.E st ude nts. His re se a r c h   papers 66 have  been presented  in various/IEEE  interna tiona l/na tional  confer enc e s in Mexico,  Virginia, Hong  Kong, Malay s ia, I ndia, Singapor e and  Korea. He  has 20 publications in national  journals and 43  in intern ational  journals. His re s earch  inter e sts are in modeling  and contro l of   DC-DC converters and m u ltiple connect ed power  electroni c co nverters, con t rol  of perm anent   magnet brushles s DC motor, embedded contro l fo r multilev e inverters and m a trix  conver t ers   etc .  He is   a lif e m e m b er of I n s t rum e nt S o cie t y  o f  Indi a and  Indian S o ci et y for Te chnic a l   Education. Cont act  num ber- +91 - 9443185211. E m ail: spn_ann am alai @r ediffm ail .   com .           T. S.  Anandhi  obtain e d th e B. E.  (El ectron i cs   an d Ins t rum e ntat io n), M . E  (P roces s  Control and  Instrumentation)  and Ph.D degrees  from Anna ma l a i  Uni v e r sity  She   is  pres entl y a  Reader in th e   Department of I n strumentation  E ngineering, An namalai Univ ersity  where she has put in a total  service of 16  y ears. Her r e search   inter e sts are in   modeling and  co ntrol of multiple  connected DC- DC convert ers and m u ltil evel  in verters.           B. Shant hi  wa s born in 1970  in Chidambaram. She  has o b tain ed B.E (Electronics and  Instrumentation)  and M.Tech (I nstrument Tech nolog y )  from Annamalai Univ er sity   and Indian   Institute of Science, B a ngalo re i n  1991 and 1998  respect ivel y .  She obtained her  Ph.D in Power   Electronics fro m Annamalai  University  in  2 009.  She  is pr esently   a Professor in Centr a Instrum e ntation   Service  L a borat or y of Annam a l a i Universi t y  whe r e she h a s put  in  a  tota l serv ic of 22  y ears since 1992 .Her r e search  pap e rs  (30) have been presen ted  in various/IEEE  intern ation a l/n at ional  confer enc e s. She h a s 3 public ations  i n  nation a jour nal and  35 in   intern ation a l jou r nals. Her ar eas  of inter e st are :   modeling, simulation and  inte lli gent cont rol for   invert ers. Con t act num ber-  +91- 9443185211.  E m ail: shan cisl@  gm ail.  com .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.