Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  5, N o . 3 ,  Febr u a r y   201 5,  pp . 32 6 ~ 33 I S SN : 208 8-8 6 9 4           3 26     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  Analysis of Variable Speed  PFC Chopper FED BLDC Motor  Dri v     A.  Je ya Selvan Re nius,  K. Vinoth  K u mar   Department o f  Electrical and  Electronics Engin e ering, Schoo l of   Ele c tri cal  S c i e nc es   Karun y a Institute of  Technolog y   & Sciences  Un iv ersity , Coimbato re – 641114 , Tamilnadu, Ind i     Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Oct 17, 2014  R e vi sed Dec 2,   2 0 1 4   Accepted Dec 16, 2014      This pap e r pro v ides th e detailed  analy s is of  the DC-DC chopper fed   Brushless DC  motor drive used for low-power applications . The various   methods used to improve the  power qua lity  at the  ac mains with less er   number of components are d i scussed. Th e most effective metho d  of power  qualit im provem e nt is also simula ted using MATLAB Simulink. Improved   m e thod of speed control b y  contr o lling the dc lin k voltage of Voltage Source  Inverter is also  discussed with redu ced switch i n g  losses. The continuous and  discontinuous modes of operatio n of the  converters are also discussed based  on the  im prove m e nt in power  q u alit y.   The p e rfo rm ance of  the  m o s t  effe ctiv solution is sim u lat e d in MATL AB Si mulink environment and the obtained   res u lts  ar e pr es e n ted.   Keyword:  B r i dgel e ss    Co mm o n - m o de no ise  D C -D C chopper  Power factor  c o rrection  Power qu ality   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 A. Jeya  Selva n  Renius   Depa rt m e nt  of  El ect ri cal  and   El ect roni cs  E n gi nee r i n g,   School  of Elec trical Sciences, Ka runya  Uni v ersity,  Co im b a to r e  –  6 411 14 , Tam i l n adu ,  Ind i a.  Em a il: ren i u s 28 @g m a il.co     1.   INTRODUCTION  Lo po we r m o t o dri v es s u c h  as  fa ns wat e pum ps,  bl o w ers,  m i xers, H VAC  t r a n sm i s si on , m o t i o n   cont rol etc. use BLDC m o tor  for t h eir  efficient  op era t i on.  Si nce  B L DC   of fers  h i gh e ffi ci e n cy ,  l o w   el ect rom a gnet i c  i n t e rfere nce,  l o w m a i n t e nan ce and  hi g h  fl u x  de nsi t y  per u n i t  vol um e, we use B L DC  f o r  l o w   po we r appl i cat i ons . B L DC   m o t o rs are ve ry  po p u l a r i n   a wide variety of applications. Com p ared with  a DC  m o tor, the BLDC  m o tor use s  an electric c o mm uta t or ra ther tha n  a  m e chanical co mm u t a t o r , so  it is  m o re  reliab l e th an  th e DC m o to r. In  a BLDC mo tor, ro to r m a g n e ts g e n e rate th e ro tor’s m a g n e tic flux , so BLDC   m o t o rs achi e v e  hi ghe r effi c i ency . There f ore ,  B L DC  m o t o rs  m a be use d  i n  h i gh -en d  w h i t e  go ods   (re fri ge rat o rs,   washi n g m achi n es,  di s h wa she r s, et c . ),  hi gh -e nd  p u m p s, a n d  fa ns a n d i n   ot her  ap pl i a nces   whi c h   requ ire h i gh  reliab ility  an d   efficien cy.   In  th is  resp ect, th e BLDC mo tor is equ i v a l e n t  to  a rev e rsed  DC co mm u t ato r  m o to r, in wh ich  th mag n e t ro tates wh ile th e cond u c t o rs  rem a in  statio n a ry. In   th e DC co mmu tato r m o to r, t h e curren t  po larity i s   al t e red  by  t h e c o m m ut at or a n d  b r us hes.     Ho we ver ,  i n  t h e br ushl es s D C   m o t o r, p o l a r i t y  reversal  i s  per f o r m e d by  po we r t r ansi st ors s w i t c hi n g   in  syn c hron izatio n  with  th ro t o r po sition .  Th erefore,  B L DC m o to rs o f ten  in corp orate eith er in tern al or  ex tern al  po sitio sen s ors  t o   sen s t h actu a l ro t o r po sitio n, o r   th e po sitio n  can  b e  d e tected  with ou sen s o r s.  The c h oi ce  of   m ode of   ope rat i o n  o f  a  PFC  c o n v e r t e is  a c r itical issue bec a use it  directly affects the   cost  an d rat i ng  of t h e com p o n ent s   use d  i n  t h e PFC  c o nve r t er. The  co nt i n uo us c o nd uct i on m ode  (C C M ) an d   di sco n t i n uo us  con d u ct i on m ode (DC M ) are t h e t w o m odes of o p e r at i on i n  whi c h a PFC  con v e r t e r i s  desi gn e d   to operate.  In  CCM, the cu rren t in  th e i n du ctor or th e vo ltag e  acro ss t h e in term ed iate cap acito remain co n tinuo us,  but it r e qu ir es t h e sen s i n g of  t w o vo ltag e s (dc lin k   vo ltag e   an d su pp ly vo l t ag e)  and  input sid e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       An al ysi s  of  V a ri abl S p eed  P F C  C h op per  F E D B L DC  Mot o Dri ve ( A . Je ya  Sel v a n  Re ni us)   32 7 cur r ent  f o r P F C  operat i o n,  whi c h i s  not  cost -e ffect i v e .  On t h ot her  h a nd , DC M  req u i r es a si ngl vol t a ge   sens or  f o dc l i nk  v o l t a ge c o nt r o l ,  a n d  i n he rent   PFC  i s  ac hi eve d  at  t h e   ac m a i n s,  but   at  t h e co st  o f   hi g h er   stresses on  the  PFC  converte r switch; hence ,  DC M is preferred fo r low-p o wer app licatio n s           Fi gu re  1.  B l oc di ag ram  of P F C  ch o ppe r- fe d B L DC  m o t o r  d r i v e        B L DC  wi t h   di ode  bri dge  rect i f i e r wi t h  a hi g h  val u e DC  l i n k capaci t o r ha s  a THD  (T ot al  Harm oni Di st ort i o n )   of  65 % a nd  p o we r fact or  as l o as 0. 8.  S o   the  powe factor is  corrected   usi n g t h e  PFC  c o n v ert e r s .   Bo th  co n tinuou s an d   d i sco n t in uo us m o d e o f  t h e co nv er t e r s  ar e d i scu s sed  an d  t h d i sco n tinuo us m o d e   o f   co ndu ctio is b e st  su ited   for th low p o wer ap p lication s . Sin ce  th e d i sco n tin u o u s  cond u c tio n   requ ires on ly  si ngl vol t a ge   sens or  fo DC   l i nk  vol t a ge c o nt r o l .  B u t  c o n v ent i o nal  P F C  uses m o re  nu m b er of c o m pone nt s   that increases  the cost  of t h e  cont ro l circu it. Also  th e co nv en tion a l PFC u s ed  PW M - VSI for sp eed  co n t rol   with  co nstan t   DC link   v o ltage wh ich   produces h i g h e r switch i ng  losses.    Thus the analy s is is  m a de for  diffe re nt  m e thods t h at  im prove the power  quality  at the ac  m a ins.  For  fu rthe r im pro v e m e nt in efficiency , b r id geless (BL) co nv ert e rs are use d  which allow the  elimination of DBR   in  th e f r on t end .  A   b u c k– boost co nv er ter  con f i g ur atio n  is  b e st su ited  amo n g  v a r i ou s B L  co nv er ter  top o l o g i es  fo a ppl i cat i o n s   re qui ri ng   a wi de ran g e o f  dc  l i n k vol t a ge   co nt rol  (i .e. ,  buc ki n g   a n d b oost i ng  m ode ).   These   can p r o v i d e t h e vol t a ge  buc k  or v o l t a ge  bo ost  w h i c h l i m i t s t h e ope rat i n g  ran g e o f  dc l i nk  vol t a ge co n t rol .  A   new f a m i l y  of  B L  SEPIC  an d  C uk co nv ert e r s  has bee n  re p o rt e d  b u t  req u i r es a l a rge n u m ber of com pone nt s   and ha s los s es  associated  with it.   Th is p a p e r presen ts a d e tailed  an alysis of  ch opp er-fed  B L DC m o to r driv e with   v a riab le d c  link   voltage  of  VS for im proved powe quality  at ac m a ins with  reduce d c o m ponents .       2.   EX I S T I N G  TO P O L O G Y   The  c o nve nt i o nal   PFC   us es Pul s e Wi dt h M o d u l a t e d V o l t a ge  S o u r ce I n vert er   ( P W M - V SI ) f o r spee d   cont rol  wi t h  c onst a nt  DC  l i nk  vol t a ge . T h i s  causes hi gh er switch i ng  lo sses. Th e switch i ng  lo sses in  th is  conve n tional  a p proach incre a s es as a  sq ua re fu nct i o n of swi t chi n g   f r eq ue n c y .   T. Go p a lar a t h n a m  an d  H . A. To liyat [ 1 ] i n  20 03  pro posed  a Sing le End e d  Pr im ar y I n du ctan ce  C o n v ert e r ( S E P IC base d B L DC  w h i c h al so  has  hi ghe r l o s s es i n  t h VSI   due  t o  c o nve nt i onal  P W M  s w i t c hi ng   an d larg n u m b e r of cu rren t an d vo ltag e   senso r s are u s ed th at add ition a lly ad ds to th e co st  o f  t h e co nverter.  S. Si n gh an B .  Si ng h [2]  i n  20 11 p r op ose d  a pape r ab ou t  B u ck-B o o st  con v e r t e r base d  on co nst a nt   DC  l i n vol t a g e  an d al s o   use  P W M - VS fo spee d c ont r o l   whi c h a g ai n i n creases t h e s w i t c hi ng  l o sse s.    S. Si n g h  an d B .  Si n gh  [ 3 ]  aga i n i n  2 0 12  p r o pos ed a c u k co nve rt er  fed B L DC  m o t o r wi t h  a va ri abl e   DC lin k  vo ltag e  th at redu ces th e switch i ng  lo sses sin ce  it u s es o n l y th e fu nd am en tal switch i n g  freq u e n c y.  Sp eed  con t ro l  is p e rform e d  b y  con t ro lling  the  v o ltag e   at  th DC  b u s  of  VSI.  In this p a p e r, Con t in uo us  C o n d u ct i on M ode  (C C M ) i s  use d . B u t  t h m a jor  di sad v a n t a ge  is th at it requ ires three sen s ors.  So  it  is n o t   encourage d   for low-c o st and l o w-power rating  ap p lication s   Sin ce on ly th b r i d g e  co nv erters are  u s ed  in   all  the above used topol ogies , it  al so cont ri b u t e d f o r t h swi t c hi n g  l o ss es. T hus  t h bri dgel e ss t o p o l o gi es are  preferred. T h diffe re nt bridgeless topologi es are  an alysed   b a sed on  th e power  q u a lity of th e ac m a in s.        3.   BRIDGELESS CONVERT E R TOPOLOGIES  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  5 ,   No 3 ,  Feb r uar y  201 5 :   3 26 –   33 32 8   The  bri dgel e ss  co nve rt ers  el i m i n ate the us e of di ode rec tifiers. T h diode  rectifiers   cause m o re   sw itch i ng  st r e sses. Th is is  no t go od   fo r  t h pr op er fun c tio n i n g  of  t h e co nver t er     3. 1. B o ost  C o nver ters   Y.  Jan g  a n d M . M .  J ova n ovi c   [4]  i n  t h e  y ear  20 1 1   pr o pose d  a c once p t   bas e on   bo ost  c o nve rt er  fe d   B L DC  m o t o r d r i v e. T h e ba si c t opol o g y  of t h e bri d gel e ss P F C  bo ost  rect i f i e r i s  sho w n i n  Fi gu re 2. C o m p are d   to  con v e n tion a l PFC b o o s t rectifier o n e d i od e is eli m in ate d  fro m  th e lin e-curren t  p a t h , so  th at th e lin cu rren t   si m u ltan e o u s ly  f l ow s thr oug o n l y two  sem i c o ndu ctor s,  res u l t i ng i n   red u ce d c o n d u ct i on l o sses.  H o weve r, t h e   bri dgel e ss  PFC  bo ost  rect i f i e r  i n  Fi g u re  ha s si gni fi cant l y  l a rger c o m m on-m ode n o i s e t h an t h e c o n v e n t i onal   PFC bo ost rect ifier. In  fact, in th e con v en tion a l PFC  b o o s rectifier, th ou tpu t  groun d  is always con n e cted  to  the ac source through the  ful l -bri dge  r ectifi e r wh ereas, in th e bridg e less  PFC boo st rectifier in  Fig.  2 ,  th o u t p u t   g r o und   is co nn ected  to th e ac so urce  o n l y du ri n g  a  p o s itiv h a lf-lin e cycle, th ro ug h  t h e bo d y   d i o d e   of  switch ,  wh ile  d u ring  a n e g a tiv h a lf-lin e cy cle th e ou tpu t   g r ou nd  is  pu lsatin g   relativ e to  th e ac sou r ce with   hi g h  f r eq ue nc y  (HF )  an d wi t h  an am pl i t ude equal  t o  t h e out put   vol t a ge .  Thi s  HF  p u l s at i ng v o l t a ge s o u r ce   ch arg e s and  disch a rg es th eq u i v a len t   p a rasitic cap acitan ce  b e tween  t h o u t p u t   g r ou nd  and  th e ac lin g r ou nd , resu ltin g in  a sign ifican tly in creased co mm o n - m o d e  no ise.           Fi gu re  2.  B r i d g e l e ss PFC  B o o s t  co nve rt er          Th e br idg e less b o o s t conv er t e r  pr ov id es  on ly v o ltag e   b o o s t wh ich  lim i t th e op erating  ran g e   o f   DC   l i nk  vol t a g e  c o nt r o l .  T h u s   we  m ove fo r a not h e r t o p o l o gy .     3.2. CUK Converters         Fi gu re  3.  M o di fi ed C u k  co n v e r t e wi t h   Negat i ve o u t p ut   pol a r i t y        L. Hu be r, Y.  Jan g  and M . M .  Jova n ovi c  [5]  i n  t h e y e ar 20 0 8  pr o p o s ed a pape r b a sed o n  cu k   con v e r t e base d B L DC I n  t h i s  sect i o n ,  t h e t o p o l o gy   deri va t i on  of  t h e  p r o pos ed  co n v ert e r i s   pre s ent e d.  Fi gu re   3 sh o w s a m odi fi ed C uk c o nve rt er al so  k n o w n as a “S el f-l i f t  C uk” c o n v e r t e r. R e fe rri n g  t o  Fi gu r e  3, t h e   co nv erter can   b e  m a n i p u l ated  to  pro d u ce a p o s itiv o u t p u t v o ltag e  fro m  a n e g a tiv e i n pu t vo ltag e . Si milarly,   for a con v e rter it is p o ssib l e to  produ ce a n e g a tiv e ou tpu t  vo ltag e  fro m  a n e g a tiv e inp u t   vo ltag e No te that th conve r ters  ha ve similar output charact eristic s and they a r e i d entical except   for t h eir inpu v o ltag e  po larit y  an d   swi t c drai n-t o  s o u r ce c o nn ect i on.  The r ef ore ,  i t  i s  p o ssib le to  co m b i n e th e two  con v e rters i n to  a sin g l Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       An al ysi s  of  V a ri abl S p eed  P F C  C h op per  F E D B L DC  Mot o Dri ve ( A . Je ya  Sel v a n  Re ni us)   32 9 bri dgel e ss ac - d c PFC  c o nv e r t e r c ont ai ni ng  a bi - d i r ect i o n a l  swi t c h a nd  an al t e rnat i ng  i n p u t  v o l t a ge  sou r ce .   Likewise, the  conve r ter can  be com b in ed  i n to  a sing le bridg e less ac-dc  PFC convert e r which offe rs an  i nve rt ed o u t p u t  vol t a ge p o l a r i t y . Unl i k e t h e  con v e n t i onal   bri dgel e ss P F C  con v ert e r s al l  co m pone nt s i n  t h propose d  converter are fully utilized  as there are no i d le com pone nts du ring bot h  the positive and ne gative   ac-lin e cycle. Also n o  ad d iti o n a l d i o d e s o r   cap acito rs are ad d e d  to  th e top o l o g y  to  filter o u t  co mm o n  m o d e   noi se  si nce t h out put  i s  n o t  fl oat i n g .     Th is con v e rter  also  h a s a seri o u s   d i sadv an tag e  of switch i ng  lo sses. So  th i s  to po log y  is also  no t u s ed  no w.      3. 3. Bu ck-B o o s Co nver ter     W .  Lei, L.  Hon g p e n g , J.  Sh i g ong  and   X .   D i ang uo [6 ] in  t h e year 2008   p r op o s ed a  sch e m e  w ith   buc k - b o o st  co nve rt er  fe d B L DC  .  Acc o rd i ng t o  t h e  ab o v e a n al y s i s , S w i t c hes   and    sh oul d ha ve a   sym m et ri cal  bl ocki ng  v o l t a ge  char act eri s t i c So,  t h e R B - I G B T  (R eve r se B l ocki n g   I G B T )  i s  use d It  ca bl oc bot h fo r w ar d and re ve rse v o l t a ge d u ri ng  i t s  off st at e. C o m p ari ng I G B T  wi t h  a seri es connect e d  di o d e,   el im i n at i on  of   t h e seri es  di od e hel p s t o  re du ce l o sses   b y   d e creasing  th e on-state vo ltag e  acro ss th e switch i ng  ele m en t. Co mp ar i n g w ith brid g e   bu ck  b oost PFC co nv erter  br idg e less  b u c k- boo st PFC con v e r t er   has on m o re swi t c h a nd c a paci t o r, t w o l e ss  sl o w   di o d es.  H o we ver ,  com p ari n g t h e c o nd uct i on  pat h  o f  t h e s e t w o   ci rcui t s , at  e v e r y  m o m e nt , t h ree sem i cond u c t o devi ces  ar e o n l y  co nd uct i ng  fo bri dgel e ss b u c k - b o o st  PFC   co nv er ter ,   b u t  f o u r  sem i co n d u c tor s  are co ndu ctin g   for  br idg e  bu ck- boo st PFC co nv er ter .  Th eref or e,  co ndu ctio n lo ss can b e  red u c ed , esp ecially in lo w lin v o ltag e       Fi gu re  4.  B r i d g e l e ss PFC  B u c k -B oost  co n v er t e        The ab o v e PF C  buc k- b oost   con v e r t e r use s  t h ree s w i t c hes  whic h is cost e ffective a nd al so inc r eases   the switching losses. T h us this  m e thod of  power quality  improvem ent als o  has som e  limitations. So we  go for  so m e  o t h e r t o po log y  fo r b e tter  p o wer qu ality.    3.4. SEPIC  P F C Recti f ier  A. A. Far d o u n ,  E.H .  Ism a il, A.J. Sabzali an d M . A.  A l - S af f a r  [ 7 ] in  th e year  20 12  pr opo sed  a  m e th od  of SEP I PFC  rectifier for B L DC.  Figure  5 shows t h po wer  st age  o f  a   bri dgel e ss  SE P I C  PFC  rect i f i e r.  I n   th is cir c u it, th e SEPI C conv erter  is co m b in ed  w ith  th e input r ectif ier  an d   o p e r a tes lik e a co nv en tio n a l SEPI C   PFC co nv erter. Th o p e ration   o f  th is con v erter is  sy mmetrical in  two h a lf-lin e cycl es of inpu v o ltag e Th erefo r e, t h e co nv erter op eratio n  is exp l ain e d   du ring   o n e  switch i ng  p e rio d  i n  th e po sitiv e h a lf-lin e cy cle of  th e inp u t   vo ltag e It is assu med  th at t h e co nv erter op erat es in  DCM. It m eans t h at  t h o u t p ut  di ode  t u r n of f   b e fo re th e m a i n  switch  is tu rn ed   o n . In   o r der to  si m p lify  th e an alysis, it  is su p p o s ed  th at th e co nv erter is  o p e rating  at a  stead y state, an d all circu it ele m en ts are ideal. In add ition ,  t h o u t p u t  cap acitan ce is assu m e d   su fficien tly larg e to  b e  co nsid ered  as an  ideal d c   vo ltag e  sou r ce ( ). Also , t h e i n pu vo ltag e  is  assumed  con s t a nt  an d e qual  t o   V ac ( in a switchi ng cycle. Based  on t h aforementione d as sum p ti ons, t h e c i rcui t   o p e ration  in a switch i ng  cycle  can   b e   d i v i ded  in to  three m o des.    The ci rc ui t  di a g ram  gi ves t h e  Si ngl e E n ded  Pri m ary  Ind u c t a nce C o nve r t er (SE P IC ) c o nve rt er  fed   BLDC m o to fo r th e im p r ov emen t in  th e power qu ality.  Th us t h e SEP I C  con v ert e r i s   effi ci ent  b u t  i t  req u i r es l a r g num ber o f  co m ponent s. S o  i t  i s  not  cost   effective .   Th ese are so me o f  th e bridg e less PFC co nverter techn i qu es for th e i m p r ov em en t o f  p o wer qu ality in   th e ac m a in s.  Bu t all th ese t ech n i q u e h a ve so m e  li m i t a ti ons . T h ey  al s o  ca nn ot   be  u s ed  fo r l o p o we appl i cat i o ns. S o  t h e pr o p o s ed  t echni q u e bel o w i s  desi gne d i n  suc h  a wa y  t h at  i s  best  sui t e d f o r l o w po we ap p lication s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  5 ,   No 3 ,  Feb r uar y  201 5 :   3 26 –   33 33 0     Fig u re  5 .  Bridgeless SEPIC PFC conv erter       4 .    PROPOSE D  TOPOLOGY  Fig u r e   6  shows th e pr opo sed BL b u c k– boost co nv er ter - b a sed  VSI- f e d  B L D C  m o to r  driv es. Th e   param e t e rs of t h e B L  buck b o o st  co nve rt e r  are desi g n e d  such t h at  i t   ope rat e s i n  di sco n t i n u o u s i n duct o current m ode  (DICM) to ac hi eve a n  inhere nt  powe r fact or  c o r r ect i o n  at  ac  m a i n s. The  spe e d c ont r o l   of B L DC   m o t o r i s  achi e ved  by  t h e  dc   l i nk  vol t a ge  co nt r o l  o f  V S u s i ng a  B L  b u c k b oost  c o nve rt er. T h i s   red u ces t h e   swi t c hi n g  l o ss es i n  VS I d u e  t o  t h e l o w f r e que ncy  o p erat i on  of  VSI  fo t h e el ect roni com m ut ati on of t h e   B L DC  m o t o r. The pe rf orm a nce of t h e p r o p o se d dri v e i s  eval uat e fo r a wi de ra n g e of  spee d co nt rol   wi t h   i m p r ov ed power qu ality at ac m a in s. Mo reov er, th e effect o f   supp ly vo ltag e   v a riation  at  u n i v e rsal ac main s is  also  stud ied to d e m o n s trate t h p e rform a n ce of th e dr iv e in   p r actical su pp ly con d ition s . Vo ltag e  and  cu rrent   st resses  on  t h e  PFC  c o n v ert e r swi t c h are a l so eval uat e fo det e rm i n i ng t h swi t c r a t i ng a nd  heat  si n k   desi g n .   Fi nal l y , a soft ware i m pl em ent a t i on  of t h pr o pose d  B L D C   m o t o r d r i v i s  carri ed  out  t o  dem onst r at th feasi b ility  o f   th e p r op osed  d r i v e o v e a wid e  ran g e   of  sp eed  co n t ro with  im p r ov ed po wer  qu ality  at ac  main s .   Th e pro p o s ed circu it d i agram o f  th e Bu ck -bo o s t co nv erter fed  BLDC  m o to r is sh own  in  th   Fi gu re 6.           Fi gu re  6.  Pr o p o se d C i rc ui t  di agram  of t h e B u ck - b o o st  c o n v e rt er  fed  B L D C          Th e abo v e  circu it is p e rfectly  su itab l e for th e lo w power app licatio n s     5 .     OPERATING  PRINCIPLE OF THE  PR OPOSE D   PFC BL B UCK–  B OOST  CONVERTER  Th op eration   o f  th PFC B L  bu ck –bo o s co nv erter is cl assified  i n to  t w o p a rts  wh ich  in cl u d e  the  o p e ration  d u ri n g   th e po sitiv and  n e gativ e h a lf  cycles o f  su pp ly v o ltag e   and  d u ring   t h co m p lete  switch i n g   cycle.    5. 1.  Oper ati o n  duri n g P o si ti ve  and  Ne g a ti ve H a l f  C y cl es  o f  Su ppl y  V o l t a g e   I n  th p r op osed   sch e m e  of the BL bu ck –boo st con v e r t er sw itch e  and  o p e rate  fo r th e po sitiv an d   n e g a tiv e half cycles o f  th e supp ly v o l t a g e , resp ectiv ely. Du ri n g  the p o s itiv h a lf  cycle o f  th e su pp ly   v o ltag e , switch   , inductor   , and di o d es   and  are ope rated to trans f er e n erg y  to   d c  link  cap acitor  as  sh o w n   i n  Fi gu re 7(a ) –(c ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       An al ysi s  of  V a ri abl S p eed  P F C  C h op per  F E D B L DC  Mot o Dri ve ( A . Je ya  Sel v a n  Re ni us)   33 1 Si m ilarly, fo r th e n e g a tiv h a lf cycle o f  th su pp ly vo ltag e , switch   , i n du ct or   , an d di od es    and  co ndu ct  as  sh ow i n  Figu r e  8 ( a) –( c). In   t h e d i sco n tinu o u s   m o d e  o f  o p e r a tion  o f   t h BL bu ck–boo st  co nv er ter ,  t h cu rr en t i n  inducto r   bec o m e s di scont i n u ous  f o r cert a i n  d u r at i o n  i n  a  s w i t c hi ng  pe ri o d .       5. 2.  Oper ati o n  duri n Com p l e te Sw i t chi n g  C y cl Th ree m o d e of op eration  durin g  a co m p lete switch i ng  cycle are d i scussed fo r t h e po sitive h a lf cycle   o f  supp ly vo ltag e  as show n h e r e in af ter .   Mode I:    In  t h is m o d e , switch    conducts to cha r g e  th e in du ctor   ; hence, an i n ductor current    increa ses   i n  t h i s  m ode as sh ow n i n  F i gu re 7 ( a) . Di ode  co m p letes th e in pu t side circu itry, wh ereas t h e d c   lin capacitor  i s  di schar g e d   by  t h VSI -fe d B L DC  m o t o r.    Mod e  II   A s  sh own  in  Fig u r e  7( b) , i n  th is m o d e  o f   oper a tio n, sw itch   is turne d   off,  and t h e stored  energy in  in du ctor     is tran sferred  t o   d c   lin k  cap acito u n til th e i n d u c to r is co m p letely d i sch a rg ed Th e cu rren t in  in du ctor     reduc e s and  reache s   zero.   Mod e  II I:     In th is m o d e in du ctor    en ters  d i scon tinu ous co ndu ctio n, i.e.,  n o  en erg y   is left i n  th e i n du ctor;   hence ,  cu rre nt       bec o m e s zer f o r  t h e   rest   o f  t h e  swi t c hi ng  p e ri o d .   As  s h ow n  i n  Fi gu re   7(c ) ,   no ne  o f  t h e   switch   o r   d i ode is co ndu cting  in  t h is m o d e , and   d c  lin k cap acito supplies ene r gy t o  the l o ad;  he nce,  vol t a ge    acr oss  dc l i nk ca paci t o starts decre a sing. The  ope r a tio n  is  rep eat ed  wh en  switch     is tu rn ed  on agai n a f ter  a com p lete switching cycle.        (a) M o de  1     (b ) M o de  2       (c) M o de  3     Fig u re  7 .  Op eratio n   o f  th prop o s ed conv erter in d i ffer en t m o d e s (a)-(c) fo r a po sitiv h a lf cycle o f  th e sup p l vol t a ge       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  5 ,   No 3 ,  Feb r uar y  201 5 :   3 26 –   33 33 2   (a) M o de  1       (b ) M o de  2       (c) M o de  3     Fi gu re  8.  O p er at i on  of  t h p r o pos ed  co n v ert e r i n  di f f ere n t  m ode s (a )- (c)  f o r  a ne gat i v e  hal f  cy cl e of  t h su pp ly v o ltag e       6.   SI MUL A T I ON CI R CUI The pr op ose d  bri dgel e ss b u c k - b oost   c o n v e r t e fed  B L DC  wi t h   va ri abl e  DC   l i nk vol t a g e   of VS t o   i m p r ov e th p o wer  qu ality at  ac  m a in s with   redu ced  co m p on en ts is sim u lated  in  MATLAB an d  t h e resu l t s are  sho w n bel o w.     Fi gu re  9.  Si m u l a t i on ci rc ui t  o f  B u c k -b o o st co nv erter  fed BLDC in MATLAB Sim u lin    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       An al ysi s  of  V a ri abl S p eed  P F C  C h op per  F E D B L DC  Mot o Dri ve ( A . Je ya  Sel v a n  Re ni us)   33 3   The a b ove ci rc ui t  co nsi s t s  o f   t h e m a i n  bl ock s  w h i c h a r us ed f o r t h e B L DC  co nt r o l .  T h e s u b - bl oc ks   are  prese n t e d  b e l o w.  T h e m a in s u b - bl oc k i s  t h buc k - b o o st   con v e r t e bl oc k.           Fi gu re 1 0 . Si m u l a t i on su b- bl o c k of   b u c k - b o o s t   co nve rt er          The  pr o p o s ed   m e t hod i s  si m u l a t e d i n  M A TL AB  as  gi ve n a b ove  an d t h res u l t s  are e v al uat e d.       7.   SI MUL A T E D RE SULT Th e sim u lated  r e su lts fo r   var i ou s p a r t s of  th e pr opo sed  cir c u it ar sh own  in  Fi gu r e   1 1 . The  p e rf or m a n ce of  th pr opo sed BLD C  m o to r   d r i v e is si m u lated  in  M A TLAB/Sim u lin k  en v i ron m en t u s in g the  Sim - Po wer Sy st em  t ool bo x.  The  per f o r m a nce eval uat i o o f  t h pr o pose d   dri v e i s  cat eg o r i zed i n  t e rm of t h e   p e rform a n ce o f  th e BLDC m o to r an d  BL b u c k –bo o s t co nv erter and  th e ach iev e d  po wer qu ality i n d i ces  obtaine d at ac  mains. T h pa ram e ters assoc i ated with  the   BLDC m o tor  s u ch as  spee d (N), electrom a gnetic   t o r que ( ), and  stator c u rrent  ( ) are a n alysed  for the  proper  functioni ng  of  th e BLDC m o to r. Param e ters  su ch  as su pp ly vo ltag e  ( ) ,   s u p p l y cu rr en t ( ), d c   link  vo ltag e  (  ) ,  i n du ctor’ s  cu rr en ts  (   , ), switch  vol t a ge s (  ,,   ), and s w i t c h c u r r e nt s (   )  of  th PFC BL bu ck–b oo st  converte r are evaluated to   dem onst r at e i t s  p r o p er  f u nct i o ni n g .             (a)  St at or  cu rre nt  an d el ect r o m o ti ve f o rce  o u t p ut  wa ve fo r m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l.  5 ,   No 3 ,  Feb r uar y  201 5 :   3 26 –   33 33 4   (b ) R o t o r  S p ee out put   wa vef o rm     (c)  Electrom a gnetic To rq ue  o u tp ut wa ve fo r m       (d Varia b le D C  v o ltage  out p u t wa ve fo rm     (e)  Voltage ac ross  phase a  &      (f P u lses fo r VSI     Figu re  1 1 . T h e  sim u lated resu lts fo va r i ou p a r t of  th e pr op o s ed cir c u i t         7. CO N C L U S I ON   A PFC  B L  b u c k b oost  c o n v e r t e r-ba s ed  VS I- fed B L DC  m o tor  dri v e has  be en p r o p o se d t a rget i n g l o p o wer app licatio n s . A  n e w m e th od  of sp eed   co n t ro h a b e en  u tilized  b y  co n t ro lling  th v o ltag e  at  d c  bu s and  ope rat i n g t h VSI at   fu n d am ent a l  fre que nc y  for t h e el ect r oni c c o m m ut ati on  of t h e B L DC  m o t o r f o r r e duci n g   th e sw itch i ng  l o sses i n   V S I. Th e fro n t - e nd  B L  bu ck  boo st co nv er ter   h a b e en   o p e r a ted in   D I CM  f o r  ach i ev ing  an i nhe rent  power fact or correctio n at ac  mains. A satis factory  pe rfor mance has   bee n  ac hieve d   for spee co n t ro l and  sup p l y vo ltag e  variatio n  with   po wer qu ality  i n d i ces. Mo reov er, vo ltag e   and  curren t  stresses o n   th e PFC  switch   h a v e   b een ev alu a ted for  determin in g  t h e  practical application  of the  proposed sc heme. T h pr o pose d  sc he m e  has sh ow n  sat i s fact ory   p e rf orm a nce, an d i t  i s  a recom m ended  sol u t i on a p pl i cabl e  t o  l o w- po we r BL DC  m o tor dri v es.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       An al ysi s  of  V a ri abl S p eed  P F C  C h op per  F E D B L DC  Mot o Dri ve ( A . Je ya  Sel v a n  Re ni us)   33 5 REFERE NC ES  [1]   T Gopalarathnam, HA Toliy a t. A new  topolog y  for   unipolar brushless dc motor  drive with high power factor IEEE  Trans. Power Electron. , 2003 ; 1 8 (6): 1397–1404 [2]   S Singh, B Sing h.  Pow e r quality improved  PMBLDCM drive for  adjus table speed application  with reduced sens or  buck-boost PFC  converter . Proc.  4th ICETET. 20 11: 180–184.  [3]   S Singh, B  Singh. A voltage-controlle d PFC Cuk converter b a sed PMBLDC M drive for air conditioners IEEE   Trans. Ind. App l .,  2012; 48(2): 83 2–838.  [4]   Y Jang, MM Jo vanovi´ c . Bridgeless  high-power-factor buck con v erter .   IEEE Trans. Power Electron.,  2011; 26( 2):  602–611.  [5]   L Huber, Y Jan g , MM Jovanovi´ c . Performance  ev alu a tion  of bridgeless PFC boost rectifiers.  I E EE T r ans. Powe Electron.,  2008;  23(3): 1381–139 0.  [6]   W Wei, L Hongpeng, J Shigong,  X Dianguo.  A novel bridgele ss buck-boost PFC converter.  IEEE PESC/I E E E   Power Electron.  Spec. Conf.,  200 8: 1304–1308.  [7]   AA  Fardoun, EH Ismail, AJ Sa bzali, MA  Al-Saffar .  New efficien t bridgeless Cuk rectifiers for PFC  applicatio ns.   IEEE  T r ans. Po wer El ectron . ,   2 012; 27(7): 3292 –3301.       BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS         M r .  A.  Jey a  Selvan Re nius  received  his B . Tech. degr ee  in  Electronics and  Co mmunication  Engineering fro m Anna University , Tamilnadu ,  Indi a. P r es ent l y  h e  is  purs u ing M . Tech in P o wer   Ele c troni cs  and Drives  from  Karun y a Univ ers i t y ,  Coim batore, T a m il Nadu,  India. His present  research in ter e sts are Power converters and i nverters, Special machines, Solar and wind   Applica tions.         Prof. K. Vinoth Kumar  recei ved his  B.E. de gree in El ectr i c a l and El ectron i cs  Engineer ing   from Anna   Uni v e r si ty ,  Che n na i,  T a mi l  Na du,  Indi a. He obtained  M.Tech in Power Electronics  and Drives from  VIT  Universit y , Vellor e , T a m il Na du, India. Presently  h e  is working as an   Assistant Professor in the Scho ol of El ectrical   Science, Karun y a Institu te of  Technolog y  an d   S c ienc es  (Karunya Univ ers i t y ) ,   Coim batore,  Ta m il Nadu, India. He is pursuing PhD degree in  Karun y a Univer sity , Coimbatore, India. His pres ent research interests are Condition Monitoring   of Industrial Drives, Neural Networks and Fuzz y   Logic, Special machines , Application of Sof t   Computing Technique. He has published various  papers in intern ational journals  an d   conferen ces  and  also published  four tex t books.  He is a member of IEEE (USA), MISTE  and   als o  in  Int e rnat io nal  as s o ciat ion o f  El ectr i c a Engi neers  (IAENG).                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.