Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  7, N o . 1 ,  Mar c h  20 16 pp . 1 ~ I S SN : 208 8-8 6 9 4              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  Experimental Investigations of  the Self-Controlled Synchronous  Mot o r Connected  to a Three- Phase Line Commutated SCR  Invert er       Ta p a n  K u ma C h a k ra bo r t y   Department o f  Electrical and Co mputer Engi n eer ing, P r es id enc y   Univers i t y ,  Ban g lades h       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Aug 12, 2015  Rev i sed  O c t 11 , 20 15  Accepte d Nov 2, 2015      This paper con c erns the exper imental  invest iga tions of the thre e-phase lin commutated SCR inverter f e s y nchronous  motor. Th e fabricated s y stem  consists of a line-commuted inverter a three-ph ase s y nchronous  motor with  the excitation winding connected in series  to the inverter input, a terminal  voltag e  sensor and a gate-pulse  genera ting  circu i t. Th e fir i ng puls e s for SCRs  of the inver t er  are gener a ted b y   the microprocessor in proper sequence with   the h e lp of  s y n c hronizing sign al deriv e d from the terminal vo ltages of  the  s y nchronous machin e.  The stead y  st ate p e rfo rmance ch aracteristics ar obtain e d exp e rimentally   using  the fa bri c a t ed  s y s t em .  Th experim e nt al   results show th at  a thr ee-ph ase s y n c hronous  motor supplied  b y  a lin commutated inv e rter  with  the  ex citation wind ing  connected  in series to th e d c   link prov ide   ex c e ll ent  char act eris tics  of  th e conv e n tional  dc  s e ri es   m o tor.   Keyword:  C onst a nt  del a y  an gl Firin g  circ uit  Li ne-c om m u t a t e d i n vert e r   Syn c hro nou s m o to r   Vol t a ge  se nso r   Copyright ©  201 6 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 Tapa Kum a r C h ak rab o r t y    Depa rtem ent of Electrical a nd Co m p u t er  Engin eer ing ,   Preside n cy Uni v ersity,  10  Kem a l  At at ur Av en ue,  B a nani ,  D h a k a- 1 2 1 3 ,  B a n g l a de sh.   Em a il: ch ak @mail.p r esid en cy.ed u .bd       1.   INTRODUCTION   M a ny   m oder n   i n d u st ri al  ap pl i cat i ons  need  v a ri abl e  spee m o t o rs wi t h  a  preci se a nd sm oot h co nt r o l   of s p eed  with long term  stability and good tra n sien t perform a nce [1]. From  the very begi nni ng, the  con v e n t i onal   dc m o t o rs ha ve bee n   use d  as vari a b l e   s p eed  d r i v es i n  m a ny  i ndus t r i a l  appl i cat i ons [ 2 ] .   Ho we ver ,  f o r r e l i a bl e ope rat i on  of t h e sy st em t h e dc m o tor  dri v es are  n o t  ad vi sabl e i n   m a ny  cases due t h e   dra w backs ,  s u ch as, m echani cal comm ut at or  nee d s reg u l a r   m a i n t e nance, po we r/ wei g ht  rat i o   re d u ces d u t o   t h e ad di t i onal   wei g ht  of c o m m ut at or, b r ush  and c o m m ut at or wea r  occ u r s  due t o   fri ct i on a n d spa r ki n g , t h e   comm utator construction inc r eases the cost of the dc m o t o r dri v e, an d u n s ui t a bl e t o  ope r ate in expl osive and  dust y  e n vi ro n m ent s Th e silicon -con tro lled - rectifier (SCR)  b a sed  inv e rter  is  no w u s ed  t o  con t ro l th e sp eed o f  ind u c tion   and sy nc hr on o u s m o t o rs.  In  o r de r t o   obt ai r e l i a bl e cont r o l   of t h e SC R - bas e d p o w er c o n v e rt er, a sy nch r on o u firin g  co ntr o l schem e  is necessary  fo r its SCRs ove r a wi de ra n g e of  ac sup p l y  fre que nci e s [ 2 ] .  Loa d   co mm u t ated  in v e rter fed  sy n c h r on ou s m o to with  its excitatio n   wind ing  con n ected  in seri es to  th e inp u t   o f  t h i nve rt er can b e  used m o st  econ om i cal ly  as vari abl e  spee d dri v es i n  pl a ce of co nve nt i onal  dc m o t o r  dri v e s   ove r a  wi de  ra nge  o f  s p ee d [ 3 ] - [ 1 0] . Th e p o we r ci rc ui t  an d t r i gge ri n g  ci r c ui t  [ 11]  f o r S C R s  of  t h e i n v e rt er  a r e   v e ry sim p le in   stru cture.  Forced comm utated inverters have  been  widely used as variable  freque n c y  source for speed control  of sy nc h r o n o u s   m achi n es. H o we ve r, t h i s  s c hem e  need s com p licated powe r  and cont rol circ uits [3] .  As a   resu lt of av ailab ility o f  i m p r ov ed   vo ltag e  and  curren t  rating  SCR and   with  th eir  prices co m i n g  d o wn peo p l h a v e  sh own  con s id erab le in terest in  syn c hron ou s typ e   m a c h in es in stead  of co nv en tion a l d c  m o to r fo variab le  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    1  –  6  2 spee dri v e s Li ne c o m m ut at ed i n vert er  o v e rcom es al l   the problem s  of  forced co mm utated inve rters   as well  as cy cl oco nve rt ers.  Al m o st  al l  research  w o r k were  pe r f o r m e d usi n rot o r - spee d se nso r   fo gene r a t i n g   trig g e ring  pu lses for SCRs of th e in verter  [12 ] -[16 ]. Th e h a rd ware imp l em en tatio n  o f  th ro t o r-po sitio sens or is  ve ry  com p licated.     In t h i s  w o rk ,  t h e ex pe ri m e nt al  i nvest i g at i ons  ha ve bee n   car ri ed o u t  t o  study the s t eady state   p e rf or m a n ce ch ar acter istics of  a SCR in v e r t er  f e d  thr e e- phase syn c hr onou s m o to r  w ith   th e h e lp   o f  vo l t ag e   sens or  i n st ead  of   spee d sens o r .       2.   SYSTE M  DESC RIPTIO N AN D OPER A T ION   The bl o c k di a g ram  of t h e sy st em  used fo r expe ri m e nt al   inve st i g at i ons i s  sho w n i n  Fi gu re 1. T h e   sy st em  basi cal ly  consi s t s   o f  a  t h ree- p h ase au t o t r ans f orm e r, an u n c ont rol l e d t h ree - pha se bri dge  rect i f i e r ,  a dc   l i nk sm oot hi n g  i n d u ct o r , a  t h ree - p h ase  l i n e com m ut at ed SC R  i n vert er ,  a t h ree- pha se  sy nc hr on o u m o t o r,  sy nch r o n i z i n g ci rcui t  and a  m i cropr ocess o r- base d fi ri n g   ci rcui t .  The t h ree- pha se aut o t r ans f o r m e r provi de s   vari a b l e  ac i n p u t   vol t a ge  t o  t h u n co nt r o l l e bri dge  rect i f i e r t o   pr od uce   vari a b l e  dc   out put  v o l t a ge.  T h i s   dc   so ur ce su pp lies activ e p o w e r r e qu ir ed  f o r  th e syn c h r o nous  m o to r .  Th e fu n c tion   o f  th d c  lin k  indu cto r  is t o   sup p r ess t h e  h a rm oni cs co nt ai ned i n  t h o u t put   of t h e  b r i dge  rect i f i e r .  T h e c o m b i n at i on o f  t h e  u n c o n t rol l e d   rectifier an d d c  lin k  i n du ct o r  acts as a  cu rr en t sou r ce fo r  th e SCR inv e r t er.            Fi gu re  1.   B l oc di ag ram  of t h e SC R  i n vert er  fe d t h ree- p h as e sy nc hr on o u m o t o     Th e ex citatio n   wind ing  o f  th syn c hrono us  machine is connected in series  to  th e in pu t o f   th e in v e rter   an d th erefo r e th e ex citatio n  cu rren t is d i rect ly p r o p o r tio n a l  to  th e lo ad  curren t  lik e a  con v e n tion a l dc  series  m o t o r. A sy nc hr o n i z i ng  sq ui re- w ave  si g n al  of  6 0   deg r ee  pul se  wi dt h i s  o b t a i n ed  by   sensi n g  l i n e - t o -l i n v o ltag e s with  th e h e lp  of a sm a l l  step -down  tran sfor m e r fro m   th e sy n c hro nou s m a ch in e term in al s. Th is  sy nch r o n i z i n g si gnal  i s  i n p u t t e d t o  t h e m i crop r o cess o r - bas e d co nt r o l  ci rcui t  [1 1]  for  ge nerat i n g fi ri ng  pul se s   for  six  SCRs   of t h e inverte r   in proper sequence. T h firing angle  of t h line comm utated inverte r  is a l ways   kept  bet w een   9 0  deg r ee  t o  18 0 deg r ee.   T h e com m ut ati on o f   t h e   SC R s  of   i nve rt er  i s   pe rf orm e by   t h e v o l t a g e   i n d u ced  i n  t h e  st at or  wi n d i n of t h e sy nc h r o n ous m o t o whic h is see n   by the inve rter as a three-phase ac  source.        Und e r stan d s ti ll co n d itio n, syn c hrono u s  mo tor termin al  v o ltag e  is zero an d  th erefo r e firin g   p u l se  g e n e ration  is no t p o ssib l e. The syn c h r on ou m o to r is u n a b l e to  start fro m   stan d s till co nd i tio n .  Th erefore ex tra  starting m e thods a r necessa ry to  start the  sync hron ous  m achine from  standstill co ndition. In the  pres e n t   w o r k , a  d c  shu n t  m o to r  is  used  to dr iv e t h e syn c hr ono us m o to r  as a  g e n e r a tor  as sh own  in   Figu re 1   f o pr o duci ng s u f f i ci ent  i nduce d   vol t a ge i n  t h st at or wi ndi ng  fo r ge nerat i ng  fi ri n g  p u l s es.  A va ri abl e  resi st or as   shown in Figure 1 is connected across  t h e i nve rt er t o  al l o w cur r e n t  fl ow i ng t h r o ug h t h e fi el d wi ndi n g  of t h e   sy nch r o n o u s  m o t o du ri n g  st a t i ng.  Fi ri n g   p u l s es f o r  SC R s   o f  t h e  i n vert er  a r no pr o duc ed  fr om  t h e no  l o a d   i n d u ced em f of t h e ge nerat o r .   W h e n  t h e s p e e d o f  t h e m o t o r bec o m e s about  50 0 r p m ,  po wer s u p p l y  t o  t h e dc   m o to r is switc h e d   o f f and  the resistan ce of  the starting re hostat is grad ual l y increased. Now the sync hronous  m o tor receives  electrical power  from   the dc source and always runs  at synchronous s p eed  corres ponding to  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     Experi me nt al  I n vest i g at i ons  o f  t h e Sel f - C o nt rol l e Sy nchr o n o u Mot o r C o nnect e d  t o  …   (Tap an  K u ma C.)  3 th e freq u e n c y o f  th e m o to r term in al v o ltag e . Und e r steady state co n d itio n, th e sp eed   o f  th e m o to r can  b e   v a ried  in th follo wing   ways:  i)   Varying  t h e inp u t   d c   vo ltag e   to  th e i n v e rter lik e a co nv en tion a l d c  series mo tor.  ii)   Changing t h e firing angle  of the in ve rter just  like  the spee d change of  a c o nve nt i o nal   dc s e ri es m o t o by   sh ifting  th e brush   p o sitio n .         3.   EX PER I M E NTA L  R E SU LTS AN D DISC USSION  The e x peri m e nt al  perf o r m a nce of  t h e sy st em  u nde r l o a d   ha s bee n   obt ai ne wi t h  t h hel p  of  co u p l e d   d c  m ach in e r u n n i n g  as sep a rately ex cited  d c  g e n e r a to r. Th e syn c hro nous  m o to r  u s ed  in  th e p r esen w o r k   h a s   t h e fol l o wi n g  r a t i ngs:  3 p h , 4 40  V, 1 0 . 8  A,  7. 5 K VA,  15 0 0  rpm ,  50 H Z , and   exci t a t i on:   40  V, 8 A .   Lo ad t e st are carried ou t  on  th e system b y   v a rying  the lo ad on  t h syn c hrono us  m o to r with   d c  lin k   vo ltag e V d  and  firin g  an gle,  α  co nstan t . Th ex p e rim e n t al c h aracteristics of th e syste m  u n d e r lo aded  con d ition  are shown  i n   Fi gu res  1 t o   4.  It  can  be o b se rve d  f r o m  Fi gure  1 t h at  t h e  s y st em  exhi bi t s  alm o st  sim i l a r t o r que  ve rsus   spee characte r istic like a conventi onal  dc series  m o tor. The  c h aracteristic curve is shi f te upwa rd with i n c r ease in  fi ri n g  an gl e. It  i s  obvi ous t h a t  at   l o wer m o t o r s p eed , t o r q ue i s  very  hi g h  an d bec o m e s l o w at  hi ghe spee d.     The va ri at i on  of t o r que  wi t h  dc l i nk c u r r en t  for  di ffe re nt  com b i n at i on o f  dc l i n k cu rre nt  an d fi ri n g  a ngl e i s   sho w n i n  Fi gu r e  2.              Fi gu re  1.  Va ri at i on  of  t o r q ue  wi t h  m achi n e s p eed  f o r  di ffe r e nt  val u es  of  d c  l i nk  v o l t a ge a n d  fi ri ng  an gl e           Fi gu re  2.  Va ri at i on  of  t o r q ue  wi t h   dc l i n k c u rre nt  f o r  di ffe r e nt  val u es  of  d c  l i nk  v o l t a ge a n d  fi ri ng  an gl e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    1  –  6  4 It  i s  obser ve d fr om  Fi gure 3  t h at  sy nchr on ous m o t o r spe e d cha nges  wi t h  dc l i nk cu rr ent  l i k e a dc seri es   m o t o r. Fi g u re  4 sh o w s t h va ri at i on  of m o t o r spee wi t h  fi ri n g  an gl e at  const a nt  dc l i n k  vol t a ge . T h e f i ri n g   angl e m u st  be  wi t h i n  t h e safe  regi on  t o  a voi d c o m m ut at i on fai l u re . S o  l a r g e ra n g of s p eed  vari at i o n i s  n o t   pos si bl by  fi ri ng  an gl e c h an g e  as m a y  be o b s erve fr om  Fi gu re  4.             Fi gu re  3.  Va ri at i on  of  m achi n e spee wi t h  i n put   dc c u rre nt  t o  t h e  i n vert e r           Fi gu re 4.   Va ri at i on of   m achi n spee d wi t h  fi ri n g   a ngl e fo r di ffe re nt   val u e s   o f  dc  l i n k vol t a ge      The  wave fo rm s fo r m achine term inal  vol t a ges are  gi ve i n  Fi g u re  5 i n  whi c h t h e c o m m u t a t i on spi k es a r e   clearly v i sib l e at 6 0  d e g r ee  in terv al.  Th o s cillo gram s o f  d c  lin k   vo ltag e  an d  i n v e rter inp u t   d c  cu rren t at   l o ade d  c o n d i t i ons  o f  t h dri v e are  gi ve n i n   Fi gu re  6.  It  i s   obs er ved  t h at  t h ri p p l e  co nt e n t  i n   dc l i n k c u rre nt  i s   sm al l  due t o  hi gh  i n duct a nce i n  t h e  dc  l i n k.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     Experi me nt al  I n vest i g at i ons  o f  t h e Sel f - C o nt rol l e Sy nchr o n o u Mot o r C o nnect e d  t o  …   (Tap an  K u ma C.)  5     Fi gu re 5.  W a v e fo rm of  m a chi n e Term i n al   vol t a ge V ab V bc  and  V ca           Fig u re  6 .   W a veform s o f   d c  lin k vo ltag e  and   in pu t d c  current at lo ad ed  cond itio     4.   CO NCL USI O N   The  steady stat e pe rform a nce  characte r istics of th e  l i n e-c o m m u t a t e d SC R  i nve rt er  fe sy nch r o n o u s   m o to r h a v e  been  in vestig ated  exp e rim e n t ally at  lo ad ed   co nd itio ns. Fro m   th e resu lts o f  th e ex p e rimen t al   st udy , i t  i s  obs erve d t h at  t h devel ope d sy st em  exhi bi t s  al m o st  sim i l a r charact eri s t i c s l i k e a con v e n t i onal   dc  series m o to r. It is ex p ected th at th e system will  fin d   go od  app licatio n s  lik e tractio n,  d r illin g, liftin g and  hoisting, etc in place  of conv e n tional dc serie s   m o tor.       REFERE NC ES   [1]   M.H. Rashid , Po wer Electronics- C ircuits , Devices and Applicatio ns , Prentice Hall of I ndia Publishers Ltd . , 2009.   [2]   P.C. Sen ,  Moder n  Power Electr o n ics, Wheeler  Pu blishing, 1998.   [3]   S. Sengupta, S.N. Bhadra a nd  A.K. Chattop a d h y ay , “An Inverter Fed  Self-Co n trolled Commu tatatorless Series  Motor with the Field W i nding in the DC Link”,  IEEE Transactions on Industry Applica tions Vol. 33, No. 4,  August 1997.  [4]   B. Singh, S. Singh, S.P.  Hem a nth Chender, “Harm onics Mitigati on in LCI-Fed Sy nchronous Mot o r Drives” ,  IE EE  Transactions on  Energy Con version,  pp . 369  – 38 0, Vol. 25 , Issue: 2, June 2010 .   [5]   A.B. Ch attop a dh y a y ,  S .  Thomas  and R. Chatter j ee, “A nal y s i s  of  S t ead y S t at e Ana l y s is of  a Current Source.  [6]   C. Namuduri an d  P.C. Sen ,  “Digital Simulation  of  an Inver t er- F ed Self-Contro lled S y nchronou s Motor”,   IEEE    Transactions on  Indus trial Electronics,  Vol. 34 No. 2, pp. 205-2 15, 1987 [7]   K.A. Mar y , A. P a tra, N.K. De  an d S.  Sengupta, “ D esign and implementation of  th e contro l s y stem for an inver t er- fed s y nchronous  motor drive”,  IEEE Transactio ns on Control S y stem Technolo g y , Vol. 10, No. 6, pp. 853-859,   2002.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    1  –  6  6 [8]   R. Arulm o zhi y al , and K. B a skar an, “ S pace v e c t o r  pulse  width m odulation b a sed  speed contro l of  induction  m o tor  using fuzzy  PI controller”,  International Journal of Comput er a nd Electrical En gineering , vol. 1 ,  no. 1,  pp. 98- 103,   April 2009   [9]   A. Maam oun, A. Solim an, and A.M. Kheireld en, " S pace-ve ctor  P W M  inverter fe eding a sm all  in duction m o tor,"  in    Proc. IEEE Inter n ation a  Conf er ence on Mechatr onics, Komamoto, Japan ,  pp . 1-4 ,  May   2007.  [10]   M.N. Uddin, and R.S. Re be ir o, “ O nline Effi cien c y  Optim iz ati on of a Fuzzy - L ogic Contr o ller-b ased IPM  S y nchronous M o tor”,  IEEE Tra n saction on  Indu stry Applications , Vol. 47 , No. 2,   April 2011 [11]   T.K. Chakrabor ty , B. Singh, an d S.P.  Gupta, “ A  Microprocess o r-based Firi ng   Control Sch e me for Thr ee-Phas Th y r istor Power   Converter ”,  Jour nal of Micro c omputer App lica tio ns , Vol. 13, pp.  361-369, 1990 [12]   S.D. Sudhoff,  “Start up perfo rmance of lo ad -commu tated in verter  fed s y nchronous machine drives ”,  IE EE  Transactions on  Energy Con versions , Vol. 10, No. 2 ,  1995   [13]   T.K. Chakr a bor ty , “Microprocessor  controlled  commutatorless DC series  mo tor drive”, M.Sc. Engg Th esis,  Department o f  Electrical Engin e eri ng, Univ ersity   of Roorkee, 198 8.    [14]   F.C. Brockhurst, "Performance Equations  for D.C Commutatorless Motors us in g Salient Pole Sy nchronous Ty p e   M achines ",   IEEE Transaction o n  Industry App l ications , Vol. IA  - 16, No. 3 ,  pp . 3 62 - 371 , May   June 1980.    [15]   H.  Naitoh and F.  Harashima,  " E ffec t s of m a gneti c satur a tion o n  the pe rform ance of  th yristor  com m u tatorless   mot o r” ,    IEEE T r ansaction on In dustry Applications , Vol. IA- 18, No. 1 ,  pp 213-2 18, May / June,   1 982.    [16]   H. Natio,  K. Iw am oto and F .  Haras h im a, "D yna m ic Charac ter i stics and Instab ility  prob lems of Trigger i ng Lead   Angle Controlled Commutatiorless Motors",  El ectrical Engin e ering in Japan , Vol. 102, No. 4, pp. 81 - 90 July /August, 19 82.      BI O G R A P HY  OF   A U T HO     Tapan Kumar Chakraborty  received his Bach elor  of Scienc e  in Elec tric al a nd Elec tronic   Engineering d e gree from Bang ladesh Univ ersity  of  Engin eer in g and Techno lo g y , Dhaka in   1984. He completed  the M.  Eng g  degree in Electri cal Eng i neerin g at th e University  o f  Roorkee,  India in  1988.  He obtained h i s Ph.D degree in  Electr ical and  computer  Engineering  from  Kanazawa Univ ersit y , Japan in  1998. He serv ed  as lecture r assistant professor, associate   professor and professor in the  department of  E l ec tric al and  El ectron i c Eng i ne ering at Dh aka  University  of En gineer ing and Technolog y  from  1988 to 2005. In 2005, he join ed the departmen t   of El ectr i c a and  Com puter Eng i neering  as   a pro f es s o r at  the  P r e s idenc y  Univ ers i t y , Dhak a.  He   has  over fift een  res earch p a pers  t o  his  credit  in  v a rious journals and conferen ces  of nation a l and  intern ation a l rep u te. His fie l ds of interests ar e el ectron i c m a ter i a l s  and devic e s ,  phas e  chang e   m e m o ry, ele c tr onic cir c uits an d power electr oni cs. He is a m e m b er of the Institution of   Engineers, B a ng ladesh  and  a member of th e I E EE.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.