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.  2, June  2 01 9, pp.  662~ 6 7 1   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.115 91/ijpeds. v10. i 2.662-671          662     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   Comparison of m u ltiple m odulat i o n t e c hni que s   for  various  topologies of m u l t ilevel con verters for singl e  phase   AC  motor drive     Laith   M.  A k r am  A lsaqa l 1 ,  Ahme d M. T. Ibrah eem Alnai b 2 ,  Om ar Ta l a l   M ah mo od 3   1, 2   D e p a rtem en t o f  El ectrical P o w er E ng .   Te c h no lo gie s ,  Northe r n  Te c hni cal U nivers ity,   Iraq  3  D epartem e n t  of   El ectrical Tech no lo gies, N o rt he rn  T echn i cal  Un i ve rs it y ,   Ira q      Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Au g   1 7 ,  2 018  Re vise d N ov  1 9 ,   201 8   A c c e pte d   D ec 11,  2 0 1 8       Th ere  are  vario u s   typ e s  o f   M ul tilevel   Con v erters   ( M C s )   i n   add i t ion  to  v a rio u s  typ e s  o f   m o d u l a t io n  te c h niqu e s   f or  t he se   t yp e s   o f  MCs;  the  chal len g es  i n   s e lect ing   t h e  best  o n e   o f  th em   w it h  regard  t o   t h e   a m o un t  o f   t he   requ ired  o f   com p on ent s ,   an d  i t s   harm on ics   con t ent .   S o,   a   c om p a r ison  s tud y   a m o n g   th e s e   ty p e s  ha s  b e e n   d o n e   in   t h i s  p a pe r.   F or  c om pa riso n  s tu dy ,   t h e   sim u l a tio n  o f   s e v en   l ev el  o f   t w o  po pul ar  t opo lo gi es  o f   M C s:   N eu tral   P o i nt   Clam p e d   (N P C )  co nv erter,  a n d   C ascad ed-M Cs  w ere  carried  out   w ith   M a tl ab /Si m u lin k   s o f t ware  p rogram .  Th ese  co nvert ers  are  used   t o  d r iv e  a  si ngle  ph a s e  cap acit o r  s t art   m o to r  d r ive.   M ulticarrier  m odu lati o n   c ont rol  tech ni ques   are  u s e d   f o r   c o n trollin g   t h e   M Cs ;   t h es e   tech ni ques   i nv ol ve  t wo   m a in   t yp e:  L evel  S h i ft ed  C arrier  ( LS C),  and   Ph ase  S h if ted  Ca rri er  ( P S C).  Th e  com p ariso n   i s   m a de  w it h  respect   t o   t h e  p e rf orm a nce  factors   as,   th e   am plit ude  o f     t h e   T ot a l   H arm o n i c  Disto r tion  (TH D ),   a nd  th e  D C -b us  ut ilizat ion  perf orm a n ce  w h ich   measured   b y  Roo t   M ean  S qu are  o f   t he  o u t p u t   vo lt age  Vrm s   a t  v a riabl e   m od u l atio n  i n d i ces  a nd  v a riab le  carrie r  fre q ue n c y.   Based   o n   s i m u l atio n  resu lt s  it' s  f o u nd,   t hat   t h e  casc a d e d-M C   w i th   P S C   mo du la t i o n   me t h o d   g i v e s   b e s t  r e su lt s,   i n   a d di ti on   t o   t h e   A l te r n at ive  P h as e   Opposition  D isposit i on  A POD - L S C  mo dulatio n  tech ni qu e   ( w it h  even   nu m b er  o f   m odul ati on  f r equen c y)  g ener at e  th e  ou tp ut   volt a ge  w it h  a  low e r  harm o n ic  c ont en t   com p ared wit h t h e o t h e r techn i ques .   K eyw ord s :   C a sc ad ed  M C s    LSC  Mu lt ile ve l C o n v erte rs   NPC-MCs  PS C   THD   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:   Ahm e d M.  T. I braheem  Aln a ib,    Depa rtem ent o f   E lectr i c a l P o wer  Eng.  T echno l o g i es,    N o rther n  Tec h n i c a l  U ni ver s it y,  M osul,  Ira q.  Em ail:  ahm e d_ alna i b 8 5 @ ya h oo.c o m       1.   I N TR OD U C TI O N   Mu l t i le ve l   c o n v e r ter  is  m ater ia li z e d   a s  a n   a p p ro priate  a l t er nat e  to  n um ero u s  di ffic u l ties  pro duce d   b y   the  c o n v e n tio nal  c o nver t er   p ar tic ula r l y   i n   me dium  a n d   hi g h   p ow e r   app l ica t i o ns  [ 1].   Mu lti lev e l  pow e r   con v er t e r  i s   a   power   e lec t ro n i c  sy stem   t ha t  syn t hes i ze s  a   requ i re d  hig h   o ut p u t   v o l t a g e  fr om  num er o u s   leve ls   of D C vo lta ge s   a s  in p u t s,   a   h i gh ou t p u t   v o l t a ge i s gener a te at  t h e o u t p u t w ith ou t  u s i n g  a   t r a n sf orm e r or  w ith a  trans f or me r  w i t h   s m a l l   t ra nsf o rm ation   ra tio.   Th is   m e t ho do lo g y   h as  s e v er a l   b e n efit s  a s   c on t r aste d   wi th  t he  st a ndard  p ow e r   c on ver s i on  m a nner.   I t  lea d s  to  d e c re ase  v o l tage  stress  on  t h e   loa d   a n d   t o  pro v i d e  w a ve for m s  w ith  a   h i gh  po w e r  qual i t y .   F o r  opera t i n g   a t  hig h e r   v o lta ge s  the   p o w e r   s w i t c h e s   are   c onne ct e d   i n   a   se ri e s   t ype  lin ki n g  w h i ch  i s an esse n tia l fe ature   of  M LI. Th u s t h e sw itc hi n g   lo sses  wi ll   b e  re d u c ed  and   t h e  effi ci e n cy  wil l  incre a se [2].   As  a   r esu l t   o f   a ll   t he se  b e n e f its,   it is  s ug ges t e d   for  num er o u s app l ica t i o ns  f or   e xam p l e   A C motor   dri v es,  un i n ter r u p t e d   p ow er  s up p l ies,  f l e x i ble  A C   t ra nsm i ssion  s y s t e m s,   s tati c   V A R   c om pensa t o r s,  a ctive  f ilt ers,  e l e ct ri c   an d   hy b r id   e l e c t ri c  ve hi cl es ,  in   a ddi t i o n   to   it  i s pro p o se d fo r renew a ble en er gy  s ource s  a s  sol a r   ph o t o v o l t a i c  (P V ) ,  w i nd  tur b i n e  ge ner a t i o n   s o u rce ,   a nd  fue l   c el l  s u p p l y .   E spe c ia l l y   t he  casc a de d  c o n v er t e r  ty pe i t pre f e rred  to o per a te w ith t he se  so u ses   be cause  i t re qui r e d isolated D C   s u pply [ 1 ,  3 ] .  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       Co mp ressio n  of   mu l t i pl e mo du lat i o n   t ech niqu e s  fo r va ri ou s t o pol og i e s   of  …  (La i t h   M.  A k ra m  Al sa qal )  66 3 The r e  ar e  ma inl y   t hre e   t ype s   of  M Cs   c o n f i gura t i o ns  u se d   i n   i n d u st r i al  a p p li c a t i on s:   N eu t r al   P oi nt   Cla m pe d  ( N PC),   C asc a d ed   H -br i dge s  in ve r t e r ,  a nd  F l yin g   c a p ac it o rs  ( F L C)   t y p e   i nver t e r .  A   hu ge   a m o u n t   o f  stor age  c a pac i t o r  is  r eq uire d  in  F L C -M C  ty pe   i n v e r ter,   i t ' s  dif fic u lt   t o  o b ta i n   t he   p r e -c harg in g  ca pa ci tors,  mor e   d iffic u lt   t o  pack a g e  a n d  t h o s e   b u l k y  ca pac i t o rs  a re  e xpe ns i v e.   I n  add i t i o n ,  it   h as   t he  p rob l em   o f  hig h   vo lta ge  u nba la nce .   N P C   a nd  casc a de d-M C   a re   u sua lly  u se d  f o r   mot or  d ri ve  a n d   pow er  qua lit y  i m pro v e m e nt   app l ica t i o ns  [ 4 ,   5 ] .   S o  i n   t his   pa per   t h ese   t w o  la t e r  t y pe s  w a s   s i m ul at ed   i n   ou r  wo rk  w i t h   s ev en   l e v e l ,  th e   sing le  p ha se  c a p aci t o r  start  i s   e mplo ye d  a s   l oa d  f o r  t h e  sim u la te d  c o n v e r ters  b e cause  t hi s  type   o f  mo tors  a r e   the m o s t  usual in hom e   a pplica ti o n ,  and sm all in d u str i e s .       2.   SEVEN LE V E L NEUTRAL   P OI NT  C LAM P E D   M U L T I LE V E L CONVERTER  I n   N P C -M C,  s hari ng   a   c om mon   D C   s ource   a nd   i t   i s   s u b d i vi de d  b y   u si ng  ca p a c i t o r  and   t h e  v o lt ag e  ac ross  e a c h   c a p aci t o r  is  V D C .  The  numbe r  of   v o lta ge  l e v e l s  in  M C  ca n  b e   i ncr ease d   b y  add i ng  the   ad d iti on a l   c a p a c ito rs, d i o d e s  an d po we r d e vi c e s .   T h e   c lamp i n g   di od e s  a re  u sed   to  lim it st r e ss  o n  the   pow er  de v ic e [ 6 , 7] .  N P C-MC  c ha l l en ge s  to  over c om e  spec if i c   o f  the  w e ak ne sses  of  c as ca d e d-M C s  s o rts,   s uc h  as  i t   do e s   n o t   nec e ss i t a t e   se p a r a ted  D C   s u p p lie s.   A l t hou g h ,   t h ese   t y pes  of  i n v e r ters  h a v in g  s o m e   d is adva n t age   or  p r o b l e m   like   dc  l ink  u n b a l a n ce  [4] .  G e nera lly  i n  M C ,  p h ase   v o l t age   (i. e .  vo l t a g e  ac ros s   one   l eg)   of   a n  k- l e vel   c o n v erte r  has  k  le ve ls   to ge ther  w i t h  z e r o  re fer e nce   le vel,  a n d   t hus  t he  l ine  vo l t a g e  l e v e l   ( v o l t a g e  betw e e n   t w o   i n v e r ter   l e gs)  has  k′   leve l,  i s equa l   t o  2k - 1  le v els,   s o t h e  ou tpu t  v ol ta ge  o f  se ve n  ( l i ne ) leve l ,  ha s   f our  ( phase  le g )  leve l [6].  The   com p o n e n t  re qu ire m e n t  for  th is  t y p e   o f  c onve rte r s  a s   f ol l o w ing :   N um ber  of  D C  l i n k   ca paci t o r= k-1,   numbe r  of  c l a m p in g   d i ode s   for  ea ch  p ha se  l eg =(k- 1)*(k- 2),  and  n u m b er  o f  m a in  p ow er  sw it c h es  f or  e ac h  p h ase   leg  of  c on verte r = 2 k-2.   S o,  f or  s even  l e vel  (4  p ha se  l e v e l )  N P C-M C ,   t h ee   D C  bu s   ca paci t o rs  a r e   u se d  (C1,   C 2,   a nd  C 3 )  as  s ho w n   i n  F i gure   1   (a).  Id ea l l y   vol t a g e   a cro s s   e ach   c a p acit o r  shou ld  be  t hir d   o f  t h e  am pl i t ud e  o f   t he   D C  S u p p l y   ( V D C /3),   a nd  t h er efo r e ,  t h e  v o lta ge   s tre s s  o f   e ve ry  d e v i c e  w ill  be  dec r ea se d  t o   o ne  c a p ac it or  v olta ge   l e v e l   V D C / 3   t hr o u g h   c la mpi n g   d io d e s.   M ore over,   s i x   pow er  s w i t c hes  an d   six  of  pow e r   s w i tc h  and  six  of c l a mpi n g di o d es  a re  used  fo r  eac h phase  le g .       3.   SEVEN LE V E L CASCAD ED M UL TILEVEL   C O N VE RTER   The   c a sca d ed- M C  is  one   o f  t h e  s t an dar d   c onve rter  t y p es  u se d  for   h igh   po we r  a p pli c at ion s .  Com p ar ed  t o  o t her   type s  of  M Cs,  t h is   t y p e   re qu i r es  s m a ll est  am o un t  of  c ompo ne nt s  f o r  sam e   volta ge   l e v el   w itho u t   f urt h e r   c lam p ing  d i ode s  or  v o l t a ge  b a l a n c i n g   c apac it ors .   The   modu lar i t y   p ro per t y  ( i . e .   sim p l e r  modu lar   a rran g e m e n t )   o f  t h e s e  t y pes  of  c onve r t ers  al low s   t o  pra c t i c a l ly   b u ild in g  h i g h   n u m b er  o f  le ve ls  f or   the   casc a d e d -M Cs  b y  assem b l i ng   t he   u n i ts   w i t h   e a se  p ac kag i ng.  T he   w ork i n g   o f  the   casc a de d- MC  can  b e   si m p ly  c om pre h e n de d.  T he   o utp u t   v o l t a ge  i s  eq ui va len t   t o  the   ac cu mu lat i on   o f   th e   ou tpu t   v o l t a g e   o f   th e   in div i dua l un i t s   t ha t  a r e co up l e d i n   s er i e s. The   N o.   o f  H - bridg e mo d u les  ( H ) w h i c h  is e q u iva l e n t to t he N o. of  D C   s up p l y   de pe nd s  on   t he  w h o l e   N o.   o f  p o s i tive ,   n ega t ive   a n d   re fere nce   le ve ls  ( k ′ )   o f   t h e  ca sc ad ed -MC .   T h e   fo l l ow i n g  eq ua ti o n  gi v es t he  r ela t i on b e tw ee n  H  a nd  k ′   is [8- 10 ] .      1 / 2  ( 1 )     Num b er   o f  m a in   p ower  s wi tche s  f o r  ca sc aded- M C  =  2 k ′ - 2.S o   f or   i m p lem e n t a t io n  se ven   le v e l   ca sc ade d - M C,   t hree   o f  H - bri dge   ( w h ic h  e q ual   t o   t he  n um ber   o f   D C   s o u r ce),  a nd  tw el ve  o f  p o w e r  sw itc he s   are   r e qu ired.   O n e   d i sa d v an t a ge   o f  the s e   t y pes  of  c on vert er s,   i t s  nee d s  s e pa rate  D C  p o w er  s ource s  t h ere   by  li m i ti ng  i t s  u t il ity  a n d   a p p l i c a tio ns.  A   se ven  le ve l   c a s c a d ed- M C  com p r i se s  of  3   c a s c a de  H -bri dg es  a s  di sp la ye d i n  F i gur e 1( b).  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, Vol. 10,  N o.  2, June  2 019  :  66 2   –   6 71  66 4     (a)         (b)    F i gure  1. Bl o c k  dia gr am  of  sim u lat i on o f   s e v en  l e v e l  c onv e r ter:  ( a )   N PC - M C ,  ( b )  C as c a d ed -MC           4.   SINGLE   P H A S E   CAPA C ITOR-START  M O T OR:  S i ngle - p h ase i nduc tio n mo to rs are   t y p ica l ly   t w o -p o l e or fo u r-po le,   ra ted  a t  2 hp or l e s s,   w hile s lo w e r   and  grea ter  m o t o r   c a n   b e  m a n u fa c t ured  f or  s pec i a l   u se s  [1 1 ] .   Th e  w o rk  i s  c a rr i e d  o u t  o n   1   H P ,   220  V ,   50  H z   sing le  pha se  c a p ac it or  s tar t   m otor  a s  loa d   f or  t he  s e v e n   l e v el  i n ve r t er  a t   all  c i rcu i t  co n f i g ura t i o ns,  t h e   motor  has t h e   par a m e ter  li s t ed  i n  Ta ble  1.       Ta b l e 1.  Mot or  spec i fica t i o n s   Pa r a mete r  Va lue   Ma in  w inding  sta t or   r e s i s ta n c e   ( R sm )  4 Ω  Ma in  w inding  sta t or   l ea k a ge  i nduc t a nce   ( L sm )  0. 0203  H   A uxili a r y   windi n g   s t a tor  re sista n ce   ( R sa )   6. 5  Ω  A uxili a r y   windi n g   s t a tor  l e a k a g e   induc ta n c e  ( L sa )   0. 021  H   Ma in  w inding  r o t o r   re sis t a n c e   ( R ′ rm )   3. 61  Ω  Ma in  w inding  r o t o r   le a k a g e   induc t a n c e  ( L ′ rm )   0. 0304  H   Ma in  w inding m u t u a l   i nduc t a n c e   ( L m )   0. 1954  H   C o m b in e d  rotor a nd loa d  i n e rtia  c o e ffic i e n t ( J )  0. 0142 4 K g .m 2   C a p a c itor-Sta r t  (C)   40 µ F   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       Co mp ressio n  of   mu l t i pl e mo du lat i o n   t ech niqu e s  fo r va ri ou s t o pol og i e s   of  …  (La i t h   M.  A k ra m  Al sa qal )  66 5 4.1.   Mu lticarr i e r   m od u l at ion   tech n i qu es   M odul a t i o n  t e c h niq u e   u se d  fo r  MC s  can   b e   c l a s si fi e d   i n t o   t w o  ca teg o ries :   Lo w   S w it c h in g   F r equenc y   (LS F )   a s  sele ctive   ha rm on i c   e lim i n at ion  m e t h od  w h ic h  op e r at ed   a t   sw i t c hi ng   fre q u e n c y   equa l   t o   a   fre que nc y  o f   o u t pu t   vo l t a g e ,   a nd  H i gh  S w itc hi n g   F re quenc y  (H S F )   f or  h i gh  sw i t c hi n g   freq u e n c y   i s  con s i d ere d   a b ove  1   KHz  a s  S p ace   v ect o r   m eth od  a n d   Mult icar rier  m odu la tio n  te c hni que s.   I n  select i v e   harm on ic  e lim ina tio n  me tho d   i s  req u i re d  a d d iti o n al   p rec i se   iter at i v e   proce s s  t h ro ug h  so l v i n g   its  n o n li nea r   equa t i o n  to pr o duce  op tim al s w itc hi n g  a n g le . I n  w hich t he S pac e  ve c t o r me t h o d   i s mor e  comple x  an d   i t  nee d s  f u rth e r ca l c ul ati o n s , f u rt h e r i s  d if fi cu lt y   t o  b e ex t e nd ed  wh e n  the  le v e l   o f t h e  con v er t e r c h an ges  [5].    The   Mu lt i c arr i e r   t echn i ques  ar e  t h e   p o p u l a r   m ethod  used   f or  M Cs   c an  b e  com m on ly  cate g orize d   i n t o   t wo  g roups:   Ph ase  Sh ift e d   C a rri e r   ( PS C )   a n d   L e v e l   S hi ft ed   Car r ier  ( L SC)  m o d u l a ti on   t ec h n iq ues.   B o t h  modu la ti o n   t e c hn i que s  ar e  app l ied  for   ca sc ade d   a n d   F LC  c on ver t e rs ,  w h e r e  onl y  the  LS C  m o d u l a t i o n   tech n i q u es  a re  app l i ed  f or N PC co nve rter.     4.1. 1. Ph a s e s h ifted   c a rrier m o d ula t io n   tech n i q u e   G e nera lly,   a   M C   w i t h  k ′  v o l t a g e   l ev el s  n eed s  k ′ - 1 t r i a n g u l a r  car riers w i t h  t he  i de nt ica l  fr e que nc y a n d   the  i d e n t i c a l   p e a k-t o -pe a k  a m pl i t ude,   b u t  the r e  is  a   p ha se   s hi f t   equa l  to  36 0° ′ 1   betw e e n   e ver y   t w o   adjac e n t  ca rrie r   w a v es,  gi ve n  by  Th us  f or   s eve n   l eve l   m ult ile ve l  i nve rter  s i x   carrier  w ave s   a re  r equ i red  ( V  ,V  ,V  ,V  ,V  ,V  )  w i th  a   60 °   pha se   d isp l a c e m e n t s   b e t ween  a ny  two  ad jac e n t  ca rrier s  as  prese n t e d  in  F i gure 2   ( a ) .   The   refe renc e  w a ve form   V    i s  pla c e d   a t  zer o  r e fe renc e  and  alw a ys  c om par e d  w ith   e a c h   o f   th e   carri er  w a v es.  If  t h e  ref e re n c e  wa v e   i s  g r ea te r  t h a n  a   car rier  s ig nal,   t he n  the   ac t i ve  s w itc hes   corr espo n d in g  t o   t ha t ca rrie r  are  t ur ned O N . El se ,  t h e   p o w e r   sw itch is sw i t c he d O F F  [8,  12].  S i mulat i o n  of  P S C   m o d u l a tio n  tec hni q u es   f or  s eve n   l e v el  c on ve rt e r  c a r r i e d  o u t  u s i n g  M a t l a b   /S imul i n k   sof t w a re   i s  de pic t e d   i n  F i gure2  (b).   S ix  c arrier  w ave s  ar e  re qu i r ed  t h u s  o n e  c a rr i e r  wave   u s e d  an d  t h e n  s h i f t e d   f i v e   t i m e s   b y  u s i n g  T r a n s p o r t  D e l a y   B l o c k .   S w i t c h i ng   f re que n c y  of  t he   c ar rier  w ave   i s   s e t   t o   9 5 0   H z , a nd 1 K H z .           (a)     (b)    F i gure  2.  P S C  modu la ti o n  tec h n i que.   ( a )  Princ i p l e  opera t i o n  of  th e   t ech niq u e ,  ( b )  S i mulation block diagr am       4.1. 2. Level   shi fted   ca rri er m o d u l a ti o n  tech niq u e   A s   i n  pre v i o u s   t e c h ni q u e  fo r  k ′   l e v e l  inv e rt er,  k ′ - 1  ca rri e r   w aves  w it h   the   sa me   f r e que nc y   a n d   am plit ud e  a r e  re qu ired.   B u t  h e re   t he se  c a rri er   w aves  a re  v er t i c a lly  d is p o s e d  suc h   t ha t  th e   ban d s  t h e y   o ccup y   are   cont i g u ous   i ns tea d   o f  h o r i z o n t a lly  d i s p o se d  as  i n  p h a s e  shi fted  t ec hni q u e.   T hi s  m ode  h a s   t hr ee  ty pes   according to the  a rrangem e nt   o f   carr i e r wave s  [ 9 ]:  a)   Wi t h  pha se  a rray  (In- phase  D i s pos i t i o n I P D)  In  t hi s t y p e , al l t h e ca rri er  w a v e s  are t h e  sam e p h a s e  as   sh own  in F i gur e3 ( a).     b)   P h a s e O ppo s i tion  D i s posi t ion  P O D   Th is  t ec hn iq ue   i s  als o   n a m e d   a s  "A nt i-pha se   a rra n g e m e n t"  b e cau s e   e ach  o f  t h e  p o sit i v e   c a rriers  (c a r r i e r   wav e s  ab ov e  ze ro   r e f ere n ce)  a re  i n  p h a se ,  b u t   with   a   p h a se   s hi f t  o f   1 80 º  re gar d i n g  to  t he   n e g a t iv e  ca rrier s (c arr i e r  waves  b el ow z er o  refere nce) as  sh ow  in F i g u r e 3 ( b ).  c)   A lterna tive  P h a s e O ppos i tio n   D i spos i tio n  A P O D   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, Vol. 10,  N o.  2, June  2 019  :  66 2   –   6 71  66 6 Thi s   t echni qu e  i s   a l s o   call e d   as  " Al t e rn at ely  re v e rs e  p h a se   a rr ay"  sinc e  ea c h   c arr i e r   h as  a   pha se  s h i ft   o f  1 80º  f ro m t h e a d j a cen t   ca rri e rs as   p r es en t e d   i n  Fi g u r e 3  (c ) .             (a)     (b)    (c)     F i gure  3. L S C  m odu l a t i o n  te c h n i qu e s       F o r P S C  m odu lat i on t ech n i q u e s,  t he a mpli tu de of m o d u l a t i on  in de x   is gi ven  b y      m            0   m   1  ( 2 )     Where    i s  t h e   grea t e s t   a mpli tude   o f  refere nc e  signa l  ,  and     i s  the  gre a tes t   a m p l i t u d e   o f  ea ch   ca rrier   s ig na l.  I n  L S C  m o d u l a ti on  tec h n i qu e ,   t he  a m p l itu d e   o f  m o d u l a tio n  in de x  is  d iffe rs  f rom   PS C   a n d   ca n   be  d efi n ed  a s:        ∗          0     1  ( 3 )     The   a m pl itu de  of  the   freq u enc y  m odu l a tio n  express i on ( m f ) c a n be  expr ess e d a s :    m     ( 4 )     wher e  f cr , and  f m  ar e  the  fr e qu enc y   a m p l i t ude   o f c a rr i e r  and m odu la tio n  sig n a l   r e s p ecti v e l y   [ 8 ].  S i mulat i o n  o f   L S C   m od ula t i on  te c h niq u e s   f or  s e v en   l e v el  c on ve rt er  i s   dep i c t e d   i n  F i g u re4.   S ix   ca rrier  wave s  are require d to g ene r ate   twel ve  g at i ng s i gna l s .             F i gure  4. S imulat i on d i a g ra m of  I P D -LS C ,  PO D - LS C, A PO D - LS C m odu la ti on  tech n i ques       P e rc entage   o f  the  TH D   w h ic h  i s   a   d e g ree   of  c l o se ness  in  o utl i ne   b e t w een  a   w avefor m   and  it s   fu n d am enta l  c o m p o n e n t,  i s  use d   a s   a  per f orm a nce   fac t o r   f or   c omp a r ison   s tu dy  in   t h i s  w o rk.  for  a   vo l t ag e   signa l ,  the  T H D   can  b e de fi n e d  as [8,  9] :   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       Co mp ressio n  of   mu l t i pl e mo du lat i o n   t ech niqu e s  fo r va ri ou s t o pol og i e s   of  …  (La i t h   M.  A k ra m  Al sa qal )  66 7  ∑        ( 5 )     wher e  V h  is the  rm s  of  h arm onic w h ic h  has  o r der  h,  a nd  V 1  is the  rms  valu e  of t he  f u n d am enta l  com p one n t .       5.   SIMU L A TION  R ESULT S   T h e   s y m m e t r y  o f   t h e   o u t p u t  v o l t a g e  w a v e f o r m s  o f   m u l t i l e v e l   a n d   i t s   h armo ni c  c o n t en t   a r e  re l i a nt   o n  m f   w h e t h e r   i f   i t   i s  o d d  o r   e v e n .   T h e r e f o r  i n   t h i s  s t u d y ,   t h e   e f f e c ts  o f  differ ent  m f   v a l ue s  o n   t he  o u t pu t   v o l t a g e   w a ve form  a nd har m on ic  c on t e nt s have  be e n  in v es t i ga te d fo r the  L SC an d   P S C  mo d u l a t i ng  t ec hni qu e s .  I n   o r d e r   t o  c l a r ify  the   an d  rec ogn iz in g  t h e  ty pe   o f  the  s y m m e t r y  of  t he  o ut p u t   vo l t a g e  o f   M C  an d  its  effec t i n g  o n   t he   s pec t ra  a na l y s i s,  F igure5  t o  F i g u re 8  sh o w   t he   o u t p u t   v olta ge   w a v efor m  of  t he   s e v e n   l e v el   ca sc ade d   c onv e r ter  w i t h   d i f fe re nt   t ypes   o f   m od u l at i o n   t e c h ni q u e s.  F ig ure 9   t o   F i g u re 1 2   s how   t h e   l oa d  c u rre nt   w ith  c orre sp o n d i n g  t h e  har m on ic  s pec t rum  a n al ys i s .   The  con v e r te r  o p e r at ed  w it h  sw i t c h ing  freq u e n cy  e qu a l   to 950 Hz (i. e .  odd  m f   =   19) fir st  t im e  t h e n  w it h sw i t ch i n g   fr e que nc y  equa l  t o   1 0 0 0  H z  (i.e.  even  m f  = 20).  Due   t o   l imi t e d   s pac e ,   this  p a p er   g i v es  s eve n   l e v el  casc a d ed  s im ulation  waveform ,   the  remaining  si m u lat i on re su lt s of  N P C -MC   is nea rly t h e  sim ilar  as c asca ded  sim u l a tion  result s.            (a )   ( b )    F i gure   5.  T he  casc a de d- MC o ut p u t v o l t a ge  u si ng I P D-L S C m e tho d  w it h i t s  corr espon d i n g   f re que nc y  spe c t rum :  (a )  odd  m f ,  ( b ) even  m f           (a )   ( b )    F i gure   6.  T he  casc a de d- MC o ut p u t v o l t a ge  u si ng P O D - LS C  m e thod w i t h  its  c orr e spon d i n g   f re que nc y  spe c t rum :  (a )  odd  m f ,  ( b ) even  m f           (a )   ( b )    F i g u r e   7 . The  c asca d e d-M C   o utp u t  vo lta ge  u sing  A P O D - LSC m e t h od  wi t h  i t s  co rres p ondi ng  fre qu e n c y   spe c t rum :  (a )  odd  m f ,  ( b ) even  m f   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, Vol. 10,  N o.  2, June  2 019  :  66 2   –   6 71  66 8      (a )   ( b )    F i gure   8.  The  c a s c a de d- MC  out p u t v o lta ge  u si ng  P S C  m ethod  w ith  i t s  co rres p o ndi ng  fre qu e n c y  sp e c t rum:     ( a )  odd  m f , (b) even  m f           (a )   ( b )    F i gure   9.  T he  casc a de d-M C  lo a d  cu rr ent us i n g IPD - LS C   metho d   w it h  its  c orre spon di n g  freque ncy spe c t rum:  ( a )  odd  m f , (b) even  m f            (a )   ( b )    F i gure   1 0 .   The  ca sc aded- M C  l o a d  cur rent u s i n g  P O D -LS C  me t hod  w i th  i ts  c orre spond in g freque nc y  spe c t rum :  (a )  odd  m f ,  ( b ) even  m f   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       Co mp ressio n  of   mu l t i pl e mo du lat i o n   t ech niqu e s  fo r va ri ou s t o pol og i e s   of  …  (La i t h   M.  A k ra m  Al sa qal )  66 9            (a )   ( b )    F i gure  1 1 . The  c asca ded-M C  loa d c u rre nt   u s i n g   A P O D- LSC m e th od w it h i t s  co r re sp ondi ng  f re qu e n c y   spe c t rum :  (a )  odd  m f ,  ( b ) even  m f               (a )   ( b )    F i gure  1 2 . T h e  c asca ded-M C  loa d c u rre nt   u s i n g   P S C   m e t ho d  w ith  i t s  c orre spon d i n g  freq u e nc y s p ec trum :   ( a )  od d  m f ,   (b)  even  m f     I t   observe d   t h e   foll ow i n g :   1-   In  I P D -LS C   m od u l at ion  tec h niq u e ,   t he  o u t p u t  vo ltage   w av e f orm   is   h al f  w a ve   s ymm e try  for  o d d   m f   a nd  odd  s y m m e t r y   f or  e ve n  m f ,  th us  o n l y  od d  ha rm oni c s   a re  a p p e a r  in  t he   h a r m oni c s   s pec t ra  a t  o dd  m f  w h i l e   even  p lus  o dd  ha rm on i c s  are   a p p e ar  a t  o p er ati n g  o n   e ve n  m f ,  t hus  its  p re f e r  to  o perat e   t he  c onverter  at  odd  m f   w hen  us ing  th is  t ec h n i q ue.   The  si g n if i c an t  har m o n ic  e nerg y  i n   t h i s  t e c h n i q u e   i s  f o c u s  a t   t h e   car rier  f re quen c y  (95 0  H z ,   1000  H z ) .    2-   In  P OD-LS C   m odu la ti o n   t ec hn i que,   t h e  m o s t   s ign i fica n t   h arm o n i cs  a r e   f o u n d   i n  t w o  s i d e b a n d s  n e a r b y   t h e   ca rrier   f re que nc y  a s   s h o w n   i n  t h e   har m onic   spec tra   w i t h   no  har m on ic  a p p ea r  at   m ul t i p l e  c a rr ier  fre q u e nc y.  F or in s t a nce,  a t      =  950 the significant  harm onics   18 th  a nd 2 0 th  harmo n i cs.  3-   In  A P O D-LS C   mod u la t i o n   t e c hni que,   the   o u tp ut   v o lta ge  w avef orm   h as  o n l y  od d  sym m e try  f o r  o d d   m f   and   ha s  od d  q u a r ter- w a ve  s y m me try  for  e v e n   m f .  Thu s   onl y  odd   h armo ni cs  a re   a pp e a r s   in   t he   f re q u e nc y  s p ect ru m  wh en   t h e  m f   i s  e v e n ,  w h il e   od d  p l u s   e ve n  harm on ics  a r e  appe a r   f o r   odd  m f   i n  a d dit i o n   t o  t h e   TH D   am pli t ud e   bec a m e   h i g h e r;  s o,   t he   m f  val u e   in   t h i s  t ech ni q u e   s houl d   a l wa y s   b e  ev en   t o  o b t a in   b e s t  out pu t  vo l t age   qua l ity.     T h e   m a i n  harm o n ic s  oc c u r  at   t he   s i d eb a n d .   C ompar i ng  the  a b ove  t hre e   t e ch n i q u es,  t h e   AP O D -LS C  m etho d has  be t t e r  ou t p u t  vo l ta ge  qua l i ty .  4-   In P S C  out p u t  vo l t a g e w a ve for m   h as odd  q u a r ter - w a ve  symme t r i c  f or bo t h   odd  an d e v e n   m f .    I n   s eve n   l e v e l   M Cs  w he n  em pl o y in g  LS C   m odu la ti on  tec h n i que s,   i f  t h e   m a   d ecr ease s   d own  to  0 .66 6   the   n u m b er   o f  le vel  w i l l   d e c r e a se  a lso   t o   f i v e  a nd  s o   on  for  m a   l ow er  t h a n  0. 33 3  the   n u mbe r   o f  le ve l  w ill   three .   F ig ure1 3   sh ow s  t h e  e f fe ct of varia t io n  of  a m p l itu de o f  m a   o n  the   n u m be r  of  l e v e l s of the   o u t pu t  v o l t a g e   of  t he  M Cs  w ith  A P O D - LSC  m o du la tio n  tec h n i q u e.   A t  be g i nn i n g   the   m a   e qua l  t o   0 . 9   t h u s  se ve n    o u t p 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, Vol. 10,  N o.  2, June  2 019  :  66 2   –   6 71  67 0 vo lta ge  w il l   p r od uced  ,   t hen   from   0.04  t o   0 . 08  sec  the   m a  e qua l  t o   0 .6  t h u s  five  l e v el  o ut put  v o l tage  i s   gene ra ted,  fi n a l l y  from  0.08  to  0 .12s ec ,  m a   equa l  to  0 .3,   th ree   leve l   v o lta ge is a p pear  at  t h e   o u t p u t .             F i gure  1 3 . E ffe ct of  mod u l at i o n in de x  o n   t he num ber   of  l e v e l s o f  t h e o u t p ut  vol t a ge of M C       In   t hi s  stu d y ,   w e  i n v e sti g at ed   t he   e ffe ct s  of  d i f f e re nt   m f  a n d   m a  va lue s   o n  th e  ha rmon ic s  co n t en t   an d  the   Vrms  of   s ev en  l ev el   c a s c a d e d  a n d  NPC-M C   f o r   d if f e re n t   t yp e s   o f   mo dul a t i o n  t e chn i qu es   w h i c h   i s  giv e n  in ta b le  2 , a nd tab l e  3.        Tab l e   2.  V a r i a tio n  of   THD v ,  a nd TH D i   b elo n g  to va r i an t t h e   m f   a nd  m a  v al ues f o r d i ff ere n t    modu la ti o n  tec hni que s   T y p e s  of c onve r t e r   F re que n c y  m o d u la ti o n   inde x  (m f )   M odula tion  inde x  (m a )   L S C  PS C  I P D  P O D   AP OD   HD v   HD i   HD v   HD i   HD v   HD i   HD v   HD i   C a s c a d e d - M C   1 9   0 . 6   8 . 8 6   0. 01   8 . 3 0   9. 45   28.27   9 . 0 2   . 75  . 95  0. 8   0. 6 0   . 56  0. 4 8   9 . 8 7   0. 6 4   8 . 7 7   . 51  . 15  1   3. 8 1   . 78  4. 8 9   . 46  5. 0 2   . 73  . 44  . 3   2 0   0 . 6   8   9 . 4 1   7. 14  7. 70   8 . 4 2   7. 49   . 94  . 45  0. 8   0 . 36   0   0 . 1 0   7. 55   2 . 2 6   7. 98   . 59  . 39  1   4 . 66   . 26  3. 7 5   . 90  3. 4 5   . 43  . 45  . 21  N P C - MC  1 9   0. 6   8 . 95   9 . 9 3   8. 3 5   9 . 4 2   8. 3 0   8 . 9 1   . 75  . 88  0. 8   0 . 64   0 . 9 2   0. 5 0   0 . 3 4   0. 6 4   9 . 0 7   . 56  . 16  1   3 . 79   . 72  4. 9 3   . 38  5. 0 8   . 73  . 46  . 27  2 0   0 . 6   7 . 9 9   9. 42   7 . 1 3   7. 62   8 . 4 1   7. 44   . 95  . 41  0. 8   0 . 37   0 . 5 9   0. 1 1   8 . 1 3   2. 2 6   8 . 6 6   . 60  . 17  1   4 . 67   . 26  3. 7 6   . 90  3. 4 5   . 43  . 47  . 22      I t   i s   obse r ved   t h at   t he   b e s t  TH D   va lue s   a re   o b t a i ne d  a t   m a  =  1,  a n d   w hen  its  d e c re a s e,   a   g r eat   nega t i ve   a ffe c t s   o cc urred  o n   t he   h arm oni cs  c on te nt   o f  t h e   w a ve f orm   of  t he   M Cs  e s p e c i a ll y  w h en  e m p lo ye d  LS C te ch ni que  bec ause  t he nu m ber  of  t he  ou t pu t   v o lta ge le v e l  w i ll  d e c re ase a l so .         Ta b l e   3.  V ariat i on  o f   Vr m s   belo n g  to va r i an t the  m a  va l ue s for   diffe r en t m odu la ti on  tec h n i que s   Ty p e s  of  c onve rt e r   M odula t ion  inde x  (m a )   L S C  PS C  I P D  PO D   AP OD   Vr ms  (V )  Vr m s  (V )  Vr ms  ( V )  V r m s  (V )   Ca s c a d e d -MC  0. 6  135. 9   136. 3   136. 3  136. 2   0. 8  182. 1   181. 6   181. 6  181. 5   1  228. 6   227   227   226. 8   N P C - MC   0 . 6   133. 1   133. 5   133. 5  133. 6   0. 8  178. 6   178. 1   178. 1  1777. 9   1  224. 3   222. 5   222. 5  222. 5       I t  i s   s e e n  t h a t   t h e   D C - b u s  u t i l i z a t i o n  i n   c a s c a d e d - M C   i s  g r e a t e r  tha n   i n  c a se   o f  us i ng  N P C-MC  f or  motor  drive.     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       Co mp ressio n  of   mu l t i pl e mo du lat i o n   t ech niqu e s  fo r va ri ou s t o pol og i e s   of  …  (La i t h   M.  A k ra m  Al sa qal )  67 1 6.   CONCL U S ION    G e nera lly,   t h e   ca scade d -M C  has  su pe ri or  a d v an ta ge   o ver   o t her   t y p e s,  a s   i t   r eq ui re d  l o we r  a m o u n t   of  com p o n e n t  i n   a dd i t i o n  to  i t  has  l e s s   h ar monic  c o nte n t   i n   t he  o u t p ut   v o l tage  w a v e f orm .   T he  h ar monic s   con t e n t s   o f  t h e   out pu t  vo l t a g e  of  t he   M C  c a n  be   r e duc e d   by  e m p l oy i ng  mult icar rier  m od u l at ion  t e c h ni q u e s .  The  P S C  m odu la tio n  t e ch n i q u e  i s   t he   b e s t   m e tho d   c o m pa r e d  w i t h   t h e  o t h e r  a s   i t   i s   o f f e r  o u t p u t   w i t h  v e r y   l o w   THD  a m p l i t ude .  It   i s  ob s e rv ed   t h e   a mpli tude   o f   th e   THD  v a lu e s   o f   PO D  an d   APOD  sch e mes  are  l o w e r   at   m f   is  e v e n  ( a t  f cr = 1 000 )  c o mp a r ed   t o   t h e  THD  v a l u es  a t   th e   m f   is  o d d   ( a t   f cr = 9 5 0 ).  I t  is  s e e n   t he  A P O D - LS C   modu la ti o n   t e c hn i que   i s   f o u nd  to  p erfo r m   b e t t e r  c o mpa r ed  w it h  t he  o t h e r   L S C   t e c h n i que s  a s   i t  has   o d d   quar t e r  w a v e sym m e try,  t hus  i t   pr ov i d es re l ati v e l y l o w   TH D   valu e.           REFE RENCES  [1]   Kh ou kh a  Im arazene,  E l  M.  B erk o uk ,  H achem i  Chek ireb ,  "New   d c-li n k  ba l a nci n g  al gorithm  f o r  mult ilevel  inverter   in  p hotovol tai c   s yste m",  IEEE   In tern atio nal Co nf eren ce  o n  Ind u s t r i a l T echn o l o g y ,   T o ronto ,  Cana da ,  20 17 ,  p p .   15 9-1 6 4 .   [2]   N.   S u s heel,  Kumar  P .   S atis h ,   " P e rf orm a nce  a n al ysis  o f   F P G A   b a se d  diode  cl amped  multile vel  inverter  f ed  induct i o n  mo t o r  drive  usi ng  ph ase  opposition  di sposi tion  mu ltic arri er  b as ed   m odu latio n  S t rategy",   In ter nat io nal  Jou r n a l  o f   Po we r Elect ronics  and  Dri ve Sys t em  ( I JPED S ) ,   vol.  8 ,   n o.   4 ,   p p .   1 5 1 2 - 152 3,   2 0 17.    [3]   Kel a m   B.   M .   Redd y,   S wapn aji t   P at tna i k,   " N ovel  sy mm etric  an d  as y m m e tri c   t o polog y  of   m u l til evel   i n v erter  w i t h   redu ced  n um ber   o f   s w i tch e s",   IEEE Inter natio n a l Co n f erence o n  In dus tr ial T echn o l o g y ,   T o r onto ,  Can ada ,  2 0 1 7 ,  pp .   1 65 -170 .   [4]   M.  E .  Kathar,   S .   M .  Kulkarni,  " C omparati ve  s tu dy  o f   mu ltilev e l   in ve rte r   t op o l og ie s" ,   In ter natio na l Jou r n a l   of  En gi neer ing S c iences   &   Res e ar c h  T echn o l o g y z ,  v o l .   6 ,  n o .  4,  p p.   2 2 1 -22 4 ,   20 17.   [5]   S .   U s h a,  C .  Subram an i,  A .  Ge et ha,  "P erf o rm ance  An aly s is  o f  H - br idge  a nd  T -Bri dge  M ul tilevel  Inverters  for  Harm o n i c s   Redu ct io n",   Int e rnation a l  Jo ur nal  of   P o wer  Electr onics  a n d  D r i ve S y st em ( I JPED S ) ,   v ol .   9,   n o .   1 ,   pp.   2 3 1 - 23 9, 2 01 8.     [6]   M.Ma d h u   Sh ob in i,   J .  Ka mala,  R.Rathna,  " A na lysis  and  si mula tion  o f   f l y i n g  capac i t or  m ulti level  inverter  u sing  PDPW M  st ra tegy",  International IE EE  C onference on Innovati ve  Mechanisms for  In dustry A ppli c ati ons,  India ,   pp.   91 -95 ,   2 017 .   [7]   S o u r abh   K u n d u ,   S antu   K r.  G iri, S arban i   M uk herjee,  S ub rat a   B ane r jee,  " P e rf orm a nce  an al ys is   o f   thre e-p h as e   f i ve- lev e l  N P C  in vert e r   by  usi ng  tri a ng ul a r   a nd  trapezo id al  t riang u l ar  carrier-bas ed  m o d u l ati o n   tech niques " ,   4 th  IEEE  Int e rn ation a l  Co n f er ence o n  P o wer,  Contr o l  &   E m bed d ed  Syst ems ,   Al la ha ba d ,  Indi a ,  pp.   1 -6 ,  2 017.   [8]    P eg a h   H a m ed a n i ,   A b b as   S ho u l ai e,  " A  co m p arati v e  stu d y   o f   h arm o n ic  d istortion  i n   m ul t i carrier  b ased  P W M   sw it chi ng  tech niqu es  f o r   cas c a d e d  H-bri d g e   i nvert ers",   A d va nces in  Elect r i ca l  an d  Co mp ut er  E ngineeri n g ,   vol.   16 ,   no .   3 ,  p p .  1 5 -2 4,  2 0 16.   [9]   B .  V .   L .  K a l a   B h a r a t h i ,   V .  S r i n i v a s a  R a o ,   " C o m p a r a t i v e   a n a l y s i s   o f  mu lti   carrier  P W M   e leven  le vel  inver t er  w i t h   tw o  m o d u l a ti on   w av es",   IEE E   Inter nati onal Con f er ence  on  P o wer,  Co n t rol ,   Si gnals a nd In stru ment a tion   En gi neer ing,  In d i a ,  2 0 1 7 ,    pp.   2 5 6 4-25 72 .     [10]   Has h im   H as abel rasul,  X ian g w u   Y an,  "Com pari son   o f   M u l ti carrier  P W M   T ech ni qu es  f o r   C asc a d e d  H-Brid ge   Multilevel  Invert er ",  Int e rna t i onal  Jou r n a l  of Power  El ectr onic s   an d  Dri ve S y stem   ( I J P EDS),   v o l .   8 ,   n o .   2,   pp.   8 6 1 - 86 8, 2 01 7.      [11]   Ma h m ou d   M.  E lk ho ly,  " O p tima l   e n e rgy   sa ving   f or  v a r ia ble   sp e e d   s in g l e  p h ase  in du cti on  m o t o r  drives " ,   19 th  IEE E   Int e rn ation a l   Midd le E a s t   P o wer Sys t ems Conference,   Ca ir o,  Egypt ,   2 0 1 7 .   p p .   7 53  –  764 .   [12]   Bin   W u ,   a n d  Meh d i  N a rim a n i ,   " H ig h  po wer  con v ert e rs  a nd   A C  driv e s" ,  Se c o nd   E di tion ,   P u b l i sh e d   2 01 7  b y   Jo hn      Wiley &  So ns, I n c .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.