I n t e r n at i on al   Jo u r n al   o f   P o w er  E l ect r o n i cs   a n d   D ri v e   S y s t em   ( IJ P ED S )   V o l .   10 ,   N o .   2 ,   J un e   20 1 9 ,   p p .   88 2 ~ 89 9   IS S N :   208 8 - 8 69 4 ,   D O I 10. 115 91 / i j p e d s . v 10 . i 2 . pp 88 2 - 8 99             8 82       Jo u r n al   h om e pa ge h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / j o u r n a l s / i n d e x . p h p / I J P E D S   M o del i n g an d s i m ul at i o n   of   q u as i - Z - s o u rc e i ndi re c t  m at ri c onv er t er  f o p erma nen t   ma gne t  s y nch rono us  mot o r dr i v e       A h m e d   M .   N o r i ,   T u r k i   K .   H a s s a n   D e pa rt m e nt  o f E l e c t ri c a l  E ngi n e e ri ng,  Co l l e g e  of   E ngi ne e ri ng,   U n i ve rs i t y  of  M us t a ns i ri ya h ,   I ra q       A rt i cl I n f o     A B S T RA C T   Ar t i c l e   h i s t o r y :   R ecei v ed   D ec   12 ,   2 018   Re v i s e d   J an   26,   201 9   A ccep t e d   M ar   1 ,   20 19       T hi s   p a pe r  a i m s  t us e  a   t hr e e - p h as e q u as i - Z - s our c e  i ndi re c t  m a t ri x c onv e rt e r   (Q Z S IM C) t o e xpa nd t he  vo l t a g e  ga i n for  a pp l i c a t i on i n a  P e rm a n e nt  M a gne t   S ync hronous  M ot or (P M S M ) d ri ve s .  In t h i s  c onve rt e r ,  a  un i q ue  qua s i - Z - s ourc e  ne t w ork  (Q Z S N ) c onne c t s  t h e  t hr e e - pha s e  i npu t   vol t a g e  t o   c onve nt i ona l  i n di re c t   m a t ri x  c o nve rt e r  (IM C)  i n orde r   t o  boos t  t h e  s uppl y   vol t a g e  for  P M S M  be c a us e  of  l i m i t e d vo l t a g e  ga i n  of  IM C.   D ua l  s pa c e   ve c t or  m odul a t i on (S V M ) i s  ut i l i z e t o c on t rol   t he  Q Z S IM C.  T h e  a m p l i t ud e   of out put  vol t a g e  for  qua s i - Z - s ourc e  n e t w ork  i s   ra i s e d by  t h e  s h oot - t hrough   of t h e  re c t i fi e r  s t a ge ,  s o t h e  s ys t e m  vol t a ge  ga i n  be c om e s   gre a t e r.  T hrough   s e l e c t i ng  t he  opt i m i z e d v a l u e  of   s hoot  t hrough d ut y ra t i o  (D ) a nd  m odul a t i on   in d e x  o f  th e  r e c t if ie r  s ta g e  ( m_ i) ,  th e  d r iv e  s y s te c a n  a u to ma tic a lly  r e g u la t e   t he  out pu t  vol t a g e  of Q Z S IM C d uri ng c ondi t i ons   of vol t a g e  s a ,  s t e p c h a nge   i n l o a t orque  a nd re f e re n c e  s pe e c ha nge  w he n  t he  r e qui re d  vol t a ge  ga i n of   Q Z S IM C i s  m ore  t h a n 0 . 866 de p e ndi ng on  i nput   vol t a g e  a nd  re qu i re d ou t pu t   vol t a g e . T h e  ve c t or c on t rol  t e c hn i que  ba s e d  on   c l os e l oop  s pe e d c on t rol  i s   propos e d t o c on t rol  s pe e d  of t h e   m ot or  from   z e ro t o r a t e d s pe e d w hi c i s   c om bi n e d w i t h  t he  propos e d   c onve rt e t o ob t a i n  t he  m o t or  dri ve .  T he   s i m ul a t i on re s ul t s  w i t h M A T L A B / S i m ul i nk  20 15 a re  ob t a i ne d  t o va l i da t e   pe rform a n c e  of  P M S M  dri ve .   Ke y wo r d s :   I n d i r e c t   m a t r i x   c o n v e r t e r   ( I M C)   P e r m e a nt   m a g ne t   s ync hr o no u s         m o tor   ( PM SM )   Q u as i - z - s o u r ce   i n d i r ect   m at r i x   c o n v e rt e (Q Z S I M C )   S h oot   t hr o ug dut r a t i ( D )   S p ace  v ect o r  m o d u l at i o n   ( S V M )   Copy r i ght   ©   201 9   Ins t itu t e  o A d va n ced  E n g i n e e r i ng and S c i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   C or r e s po n di n A u t h or :   A h m e d   M N o r i ,     D e pa r t m e nt   o f   E l e c t r i c a l   E ngi ne e r i ng ,   C ol l e ge   of   E n gi ne e r i ng,   U n i v e rs i t y   o M u s t a n s i ri y a h ,   Ira q .   E m a i l :   a h m e d m u t h e n a a @ g m a i l . c o m       1.   I N T R O D U C T I O N   T he  m a t r i x c o nve r t e r  ( MC )   ha s  a c q ui r e d s i gni f i c a nt  a t t e nt i on i aca d em i c an d  i n d u s t r i a l  f i el d  s i n ce  t he  m a n uf a c t u r e .  T he  m a t r i c on ve r t e r s  i nt r od uc e   p ow e r   f l ow  i n t wo   di r e c t i ons ,  t he   wa v e f o r m s  o f  i np u t  a nd  out put   c ur r e nt   a r e   s i n us oi da l ,   a nd  t he   t o pol o gy  of   MC   ha s   not   a   dc - l i n k   c a p a c i t o r ,   w h i c h   i n c r e a s e s   t h e   s y s t e m   l i f e t i m e  c o m p a r e d  w i t h  t h e  t r a d i t i o n a l   b a c k - t o - b ack  co n v er t er  [ 1 ,   2 ] .  T h e   M C c o n f i g u r a t i o n s  i s   d i v i d e d  i n t o   di r e c t  m a t r i c on ve r t e r   ( D M C )  a n d i ndi r e c t  m a t r i x c o nve r t e r ,  t he   I MC   s ol ve s  t he  c o m m ut a t i o pr o bl e m s   f oun d   w i t h  u t i l i z i n g  o f   t h e   D M [3 - 5] ,  t h e   i m p l e m e n t a t i o n  o f  t r a d i t i o n a l  I M C i s  l i m i t e d  d u e  t o :   t r a d i t i o n a l   I M C h a s   a  c ons tr a in e vo lta ge  r a tio le s s  th a n   0 . 86 [ 6] ; a nd   t he  p o w e r  s u ppl y i m m e di a t e l y i s  c o n ne c t e d t o   t he   l oa d,   w hi c h   m a y   c a u s e   di s t ur ba nc e   be t we e bot s i de s   i e a c ot he r .   T o r a i s e  t he   vol t a ge  ga i of  t he  t r a di t i ona l  I MC ,  s e v e r a l  o ve r - m od ul a t i on m e t h o ds  h av e b ee n   s ug ge s t e d ,  t h e y c o ul d  e xt e nd t he  v ol t a ge  ga i of  t r a di t i ona l  I MC   but  a t  t he  e x pe ns e  of  l ow   f r e q ue nc y   ha r m o ni c s  i b ot h i n put  c u r r e nt  a nd  t he   o ut put   v ol t a ge   [ 7] .  l a t t e r l y,  t he   Z - s o ur c e  I MC  ( Z S I MC )  i s   pr o pos e t hr ou g h i nt e g r a t i ng t he  Z - s o u r ce n et w o r k   (Z S N b e t we e n  re c t i fi e r a n d  i n v e rt e r s t a g e s  o f t h e  I M C   (i n  t h e   i n t e r m e d i a t e  D C - l i n k ) ,   w h i c h  i s  u t i l i z e d  t o  r a i s e  t h e   d c - l i n k   v o l t a g e   o f  t h e  i n v e r t e r .   H o w e v e r ,  i t  n e e d s  l a r g e   c a pa c i t or s  a n d  i n d uc t or s  i n t he   dc - l i n k   b u s [8 ], [9 ].  A   fa m i l y   o f  Z  s o u rc e  d i re c t   m a t ri x  c o n v e rt e r   (Z S D M C w e r e  s ug ge s t e d,  w hi c h e m pl oye d  l o we r   n u m be r   o f  s w i t c he s  a n d  pa s s i v e  c om po ne nt s   t bo os t  t he   v ol t a ge   g a i n .   B ut  t he y  s t i l l  ne e d  t s ol ve   c o m pl e c om m ut a t i o of  D MC .  I n t h i s  pa pe r ,  a   q u a s i - Z - s o u r ce  i n d i r ect   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   P o w  E l e c   &  D r i   S y s t   IS S N :   208 8 - 8 69 4       M o de l i ng   a n s i m ul at i on   of   q uas i - Z - s o ur c e  i ndi r e c t   m at r i x   c onv e r t e r   f or   p e r ma ne nt   …  ( A hm e M .   N or i )   8 83   m a t ri x  c o n v e rt e r ( Q Z S I M C i s   pr opo s e d,  w hic h   f o r m s   b y  i n t e g r a t i n g  t h e   Q Z SN   t o  t h e  t r a d i t i o n a l   IM C   i n  t h e   i np ut  s i de   o f  t hr e e - p h a se  su p p l y .  Th e  Q ZS N  r a i se t h e  v o l t a g e   g a i n ,   an d   a l s o  i t  h a s   s m a l l e r   s i ze  o f  p as s i v e   c om po ne nt s  t h a n t h e   D C - s i d e Q Z S N .   W i t h o u t  c o m p l e x  c o m m u t a t i o n   o f  t h e  D MC ,   t he   c ont r ol  m e t h od  of   t h e   Q ZS - I M C i s  s i m p l e r .   A l s o ,  l o w e r  s w i t c h i n g  l o s s  c a n  b e  a c h i e v e d  t h r o u gh  z e r o  c u r r e n t  c o m m u t a t i o n  i n  t h e   r e c t i f i e r   s t ag e   [1 0 ]   ,   [1 1 ] .   P e r m a ne nt  Ma gne t   S y nc hr o n ous   Mot or   ha s  m a n f e a t u r e s  s uc h a s  i t s  t o r q ue  / i ne r t i a  r a t i o i s  h i g h ,   w i de  s pe e d r a nge   a n hi g e f f i c i e nc y,   w hi c h m a ke  i t  t he  m os t   wi de l y   AC  m a c hi ne   u s e d i n a p pl i c a t i on  of   s er v o   co n t r o l .  P M S M   s h o w s  t h e x cel l en t  p er f o r m an ce   i n  t r an s i en t   an d   s t ead y   s t at e,  g et t i n g  o v er al l  r es ear ch   a t t e n t i o n  a n d  u s e d  i n  t h e  a p p l i c a t i o n   o f   di f f e r e nt  f i e l ds  s uc h a s  i r o b ot i c s ,   ho us e h ol d,  a e r os pa c e  a n d  o t he r s   [1 2 ] .   T he r e   a r e   m a ny   di f f e r e n t   c o nt r ol   s t r a t e gi e s   f o r   t he   P MS M   m ot o r ,   m os t   c o m m on   a nd   e f f e c t i ve   s t r a t e g i s   ve c t o r  c o nt r ol   or  s o - c a l l e d F i e l d o r i e nt e d c o nt r ol  ( F O C ) ,  w hi c h e na bl e s  P MS M t o h a v e   a  f a s t r e s po ns e  w ith  s o f t   s t a r t .  T h e   v e c t o r  c o n t r o l   t h e o r y  i s  u s e d   i n  P M S M   d r i v e s  w i t h   d - q   r e f er en ce  f r am e,   h en ce  t h e  co n t r o l l i n g   of  f l ux  a n d  t o r q ue  i s  a c hi e v e d i nde pe nde n t l y,  s b y a pp l yi ng   ve c t o r  c ont r ol ,  t he  P M S M  i s  e qui va l e nt  t o   s ep ar at el y  ex c i t e d D C  m ot o r  o pe r a t i ng i n  s t e a dy  s t a t e  [ 13 ] .   T o i m p r o ve   pe r f o r m a nc e  of  ve c t or  c o nt r ol ,   va r i ous   c o nt r ol l e r s   a r e   p r o p os e s uc a s   t r a d i t i ona l   P r o po r t i ona l   I nt e gr a l   ( P I )   c o nt r ol l e r ,   P r o p or t i o na l   I n t e gr a l   D e r i va t i ve  ( P I D)  c o nt r ol l e r ,   f uz z y P I  c ont r ol l e r s  a n ot he r s  [ 1 4] .   P I  c o n t r ol l e r   ha s  be e n wi de l y e m pl oye d i n   t h e i n d u s t r y   b ecau s o f  l o w  co s t  a n d  s m al l  s t ead y - s t a t e   e r r o r  [ 1 5 ] .  T h e  v o l t a g e s  a p p l i e d   t o   m o t o r   a r e   pr o duc e d b y u s i ng   t w o P I   c o nt r ol l e r s  w i t t he   d - q   cu r r e n t   s i g n al s ,   w h i c h   ar e cal l ed  as  m ag n et i zi n g  l o op  a n a s  we l l  a s  t o r q ue  l o o p.   An m os t l y ,  t he h a ve   no   e f f e c t  wi t h e a c ot he r .  B ut  a t  hi g s pe e d,   d -   an d   q -   ax i s   c u r r e n t s   w i l l  m a k e  m a r k e d   c o u p l i n g  e f f e c t ,   w h i c h   w i l l  d e m e a n  o v e r a l l   p e r f o r m a n c e  o f   m o t o r .  T o  e l i m i n a t e   t hi s  p r o bl e m ,   a  m ot or  c ur r e nt  de c o upl i n g  c o nt r ol  i s   us e d [ 1 6] .  S pa c e  ve c t o r  m o d ul a t i on i s   us e d a s  a   m o dul a t i o n  t e c hni que   f o r   Ma t r i x  c o n ve r t e r   [ 17 ] .  I n  t hi s  t e c hni que ,  t he  t hr e e  p ha s e   vol t a ge   q ua nt i t i e s   ( ,   ,   )  a r e  t r a ns f o r m e d t o  t he i r  e qui va l e nt   t w o - p h as q u an t i t i es  ( al p h a ,  b et a )   b y   m ean s  o f  C l ar k s   T r a n s f or m a t i o n.   Ma g ni t u de  a nd a n gl e  of  t he  vol t a ge   r e f e r e nc e  ve c t or  c a n  be  de t e r m i ne d  f r om  t he  t w o - pha s e   q u a n t i t i e s  t o  i d e n t i f y  s e c t o r s   [ 1 8 ] .  I n  e a c h   s e c t o r ,  t h e   v o l t ag r e f er e n ce  v ect o r  i s  l o cat ed   b et w een  t w o  act i v e   ve c t o r s ,   w hi c h  a r e  e m pl o ye t o c a l c ul a t e  t he  d ut y c yc l e s  o f  t he  s w i t c he s .   T h us ,  t he  de s i r e d s w i t c hi n g s i gna l s   ar g en e r at ed   t o   c o n t r o l   t h s w i t ch es   o f   I M C   [ 1 9 ] ,   t h w h o l d r i v e   s y s t em   can   b e   cl ar i f i ed   i n   F igu r e   1.   In  t h i s  p a p e r,  t h e   Q Z S IM C - b a s e d  P M S M  d r i v e  i s  i l l u s t r a t e d  t h r o u g h  i m p l e m e n t a t i o n  o f   s i m u l a t i o n s   un de r   gr i vol t a ge   s a g,   v a r i a b l e   l oa d   a n d   r e f e r e nc e   s pe e d   c on di t i on s   a f t e r   t he   ope r a t i on   p r i nc i pl e   a n a n a l ys i s   o f t h e  c o n fi g u ra t i o n   fo r t h e   Q Z S IM C   a r e   de m on s t r a t e d .   T he   ve c t o r  c o nt r ol  i s  a p pl i e d t o t he  m ot or  dr i ve   s ys t e m .  S i m ul a t i on  r e s ul t s  v e r i f y  a bi l i t y o f  p r o p os e d c o n ve r t e r  t o   va r vol t a ge   ga i n  a c c or di n g t r e qui r e m ot o r   s pe e a n l oa c o ndi t i o n.             F i gu r e   1.   T he   ba s i c   of   s c he m e   Q Z S I MC   ba s e dr i ve   s ys t e m       T hi s  pa pe r  i s  c a t e go r i z e d a s  f ol l o ws :  T h e  t op ol o gy a n d m od ul a t i on  of   pr o pos e Q Z S I MC  i s   pr e s e nt e d  i S e c t i on  2.  T he  c i r c ui t  a na l ys i s   of   pr op os e d  Q Z S I MC  i s  i l l us t r a t e d i S e c t i on   3.  T he   pa r a m e t e r s   of  QZ S N   a r e  d e s i gne i S e c t i on 4.   Th e   c on t r ol  s t r a t e gy  o f  s h oot  t hr o ug dut r a di o   i s  s h o w e d  i n  S e c t i o n  5 .   T h m a t he m a t i c a l  m ode l  o f   P MS M i s  de m ons t r a t e d i S e c t i o n   6 .  S e c t i o n   7  e x p l a i n s   t h e  v e c t o r  c o n t r o l  o f   P M S M .  Q Z S I M C b a s e d  d r i v e   s y s t e m   i s  d i s c u s s e d   i n   S e c t i o n  8 .   S e c t i o n  9   c o m p r i s e s   t h e  s i m u l a t i o n  r e s u l t s  o f   m o tor   d r i v e .   An f i n a lly ,   c onc lu s ion   is   m a de   in   S e c tion  10.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 8 6 94   I n t   Po w   E l ec  &   D r i   Sy s t ,   V o l .   10 ,   N o .   2 ,   Ju n e   2 01 9   :    88 2     8 99   8 84   1   2.   T O P O L O G Y   A N D  M O D U L A T I O N   O F   P R O P O SE D   Q Z SI M C   I n t hi s  pa pe r ,  t he  Q Z S N  i s  u s e d a s  a   bo os t e r     f or  dc - l i nk  vol t a ge ,  w hi c h c o n ne c t s  t he  t hr e e - p h a s s up pl vol t a ge  wi t I MC . T h e  i np ut  c ur r e n t  of  t hi s  c o nv e r t e r  i s  i n c on t i nuo us  c o n du c t i on  m o de   ( C C M)   be c a u s e   of   f i l t e r i n g f u nc t i on   of   Q Z S N .  T he  I MC  t o pol og y  of  p r op os e QZ S I MC  i s  c o ns i s t e o f  t w s t a ge s ;   r e c t i f i e r  a n d  i n v e r t e r  s t a g e s, a nd  t he   S V M  c ont r ol  s t r a t e g y  i s  a p pl i e f or  b ot s t a ge s  t o   g e n er at e s w i t ch i n g   s i g n a l s   of   t he   p owe r   s wi t c he s   i o r de r   t obt a i de s i r e d   s ou r c e   c u r r e nt   a nd   out put   v ol t a ge   wa ve f or m s   [ 20] .     2. 1.     P r op os e d   t op ol o gy   T he  t o pol og y   of   Q Z S I MC  i s  s ho w n i n t he   F i gu r e  2 ,   w hi c h c om p r i s e s   o f  f i ve   pa r t s :  t h r e e - p h a s e A C   s o u r ce,  Q Z S N ,  r ect i f i er  s t a g e,  i n v e r t er   s t ag an d  A C  l o ad .   T h Q Z S N  i s   co n s i s t ed   o f  t h e s i x  i n d u ct o r s  ( 1 ,   2 ,   1 ,   2 ,   1 ,   2 ) ,  s i x  cap aci t o r s   ( 1 ,   2 ,   1 ,   2 ,   1 ,   2 ) ,  a n d  t h r e e   b i d i r e c t i o n a l  s w i t c h e s  ( ,   ,   ) .  T he s e  s w i t c he s  a r e  c ont r o l l e by  a ppl yi ng   o ne   ga t e  s i gna l  (   ) ,   s i nc e  t h e y  o w n t he  s a m e  s w i t c hi n a t t i t ude ,   t hi s   u ni q ue   i m pe da n c e   ne t w or e na bl e s   t he   pr o pos e Q Z S I MC   t o   ope r a t e   i t w o   m o de s   t he   b uc a n bo os t   m o de s   [ 2 1] .           F i gu r e  2.   T opolo gy   o f   pr opo s e d   Q Z S I M C       2 . 2 .     S p a ce  v ec t o r   mo d u l a t i o n   T h e  gr id c ur r e n t - f e d  S V M  c a n   m o d u l a t e  t h e   r e c t i f i e r  s t a g e  t o   o b t a i n   s i n u s o i d a l  i n p u t  c u r r e n t  a n d   c ont r ol l a bl e  i n put   po w e r  f a c t or .   W hi l e ,  t h e  out put   v ol t a ge - f e S V M i s  a p pl i e d i n t he  i n ve r t e r  s t a ge  t o   m o d u l a t e  t h r e e - p ha s e  out put  vol t a ge .   T he  m o de s  of   t he  r e c t i f i e r ' s  s w i t c h e s  c a n  b e   d i v i d e d  i n t o  t w o   v e c t o r   s t a t e s ,  a c t i ve   v e c t or  a n d z e r o  ve c t or  s t a t e s .   T b oos t  t he  o ut p ut   vol t a ge   of  QZ S N ,  t he   s i m pl e   bo os t  c ont r o l   m e th od is     pr o pos e d  [ 22 ,   23 ] ,  i n  w hi c h  t he  s h oot - thr oug h z e r o v e c to r   is  in s e r te d du r i n g z e r o ve c to r   o f  r ect i f i er  s t a g e,  as   s ho w n i T a bl e  I .   I n t hi s  s t a t e ,  t he  t h r e e - p h a s e  s u ppl vol t a ge  i s  s ho r t - c i r c u i t e d  t o   o b t a i n  v o l t a g e   b o o s t  [ 2 4 ] .   B y t a ki ng  s e c t or  1  a s  a n e xa m pl e ,  t he   ve c t or  r e f e r e nc e   of  i np ut  c ur r e nt      is   f or m e d  by  ve c to r s     an d   ,   a s   s how in   t he   F igu r e   3.       T ab l 1 .   I n p ut   c ur r e nt   ve c t or s ,   s w i t c hi n c o m bi na t i o ns   a n d   DC - l i n k   v o l t a g e     V d c   S a P   S b P   S c P   S a n   S b n   S cn   Vecto r   Vecto r  m ean in g   1   V ac               I ac   Activ e v ecto r     V b c               I b c   Activ e v ecto r     - V ab               - I ab   Activ e v ecto r     - V ac               - I ac   Activ e v ecto r     - V b               - I b   Activ e v ecto r     V ab               I ab   Activ e v ecto r                   I aa   Z er o  v ecto r                   I b b   Z er o  v ecto r                   I cc   Ze ro   v ecto r                   I d   S hoot   -   t hr ough z e r o ve c t or                   I d   S hoot   -   t hr ough z e r o ve c t or   4   5   6   7   8   9   10   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   2   3   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   N   11   0   0   0   0   1   1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   P o w  E l e c   &  D r i   S y s t   IS S N :   208 8 - 8 69 4       M o de l i ng   a n s i m ul at i on   of   q uas i - Z - s o ur c e  i ndi r e c t   m at r i x   c onv e r t e r   f or   p e r ma ne nt   …  ( A hm e M .   N or i )   8 85       F i gu r e   3.   S p ac v ect o r   d i ag r a m   o f   t h r ect i f i er   s t ag e       T h d u t y   c y cl e s  o f   t h e   t h r ee  v ect o r s   i n   s ect o r   1   a r cal c u l at ed   b y :     = s i n   6   ( 1)     = s i n + 6   ( 2)     =  ( 1 )   ( 3)     = 1   ( 4)     Wh e re       i s   t h e   m o d u l a t i o n   i n d e x   o f   r e c t i f i e r   s t a g e ,     i s   t h e   i n p u t   c u r r e n t   v e c t o r   a n g l e ,   ,     ,   ,   a n   a r e   t he   d ut y   r a t i os   of   a c t i ve   ve c t or s ,   s ho ot - t h r o u g h   a n d   zer o   v ect o r s   i n   o n s w i t ch i n g   c y cl e,   r es p ect i v el y .   T h d i a g r a m   o f   t h e   s p a c e   v e c t o r   f o r   i n v e r t e r   s t a g e   i s   e x p l a i n e d   i n   F i g u r e   4 .           F i gu r e  4.   S p ac v ect o r   d i ag r a m   o f   t h i n v e r t er   s t ag e       Th e   i n v e r t e r  s t a g e  i s  t h e   s a m e  a s  t r a d i t i o n a l  v o l t a g e   s o u r c e  i n v e r t e r ,   w h i c h  c o n s i s t s   o f  t h e  s i x  a c t i v e   v e c tor s   a n th e   t w o   zer o   v ect o r s   [ 2 5 ] ,   t h e   d u t y   r at i o s   i n   s ect o r   1   as   e x am p l ar cal c u l at ed   b y :     = 0 s i n (   π 3 )   ( 5)     = 0 s i n 0   ( 6)     = 1   ( 7)     Wh e re   0 i s  t he  m od ul a t i on  i nde o f  t he  i nve r t e r  s t a ge ,   0   i s  t he  o ut p ut  v ol t a ge  ve c t or  a ngl e ,     ,     an d     ar t h e   d u t y   r at i o s   o f   act i v e   v e ct o r s   a n d   ze r o   v ect o r   o f   r ect i f i er   s t ag e,   r es p e ct i v el y .     I on e   s w itc h i n pe r iod ,   in  or d e r   t o   obt a i n   ba l a nc e t hr e e   pha s e   i n p ut   c u r r e nt   a nd   t h r e e   pha s e   out put   vol t a ge ,  t h e  m o d u l a t i o n  p a t t e r n  c o m b i n e s  s w i t c h i n g  s t a t e s  o f  t w o  s t a g e s .  I n  t h e  i n v e r t e r  s t a g e ,  t h e  s w i t c h i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 8 6 94   I n t   Po w   E l ec  &   D r i   Sy s t ,   V o l .   10 ,   N o .   2 ,   Ju n e   2 01 9   :    88 2     8 99   8 86   pa t t e r n  s h o ul d  di vi de  i nt o t w o  g r o u ps  s i n c e  t he   dc - l i n k  h a s  t w o  p o s i t i v e  l i n e - t o - l i n e  i n p u t   v o l t a g e s ,  t h e   pr o duc e s w i t c hi n g s e q ue nc e  i s  s ho w n i n t he   F i g u re  5 .  C al cu l at i on  o f  t he  c or r e s po n di ng   dut y c yc l e s  c a n  be   obt a i ne a s :     =     ( 8)     =   ( 9)     =   ( 10 )     =   ( 11 )       =   ( 12 )     =   ( 13 )     Wh e re   ,   ,   ,   ,   ,  an   a r e   t he  d ut c yc l e s  o f  d i f f e r e nt  ve c t o r s   o f  out put  v ol t a ge   i n   o ne   s wi t c hi n pe r i od .   F r o m  t h e  F i g u r e   5 ,   w h i l e  c o m m u t a t i o n  i n   t h e   r e c t i f i e r  s t a g e  o c c u r s ,  t h e  i n v e r t e r   o p e r a t e s  o n  z e r o   v ect o r ,  w h i ch   d en o t es  t h at  t h e d c - l i n k c ur r e nt  i s  z e r o t hr o ug h out  c o m m u t a t i on.   T h us ,  z e r o  c u r r e nt   s wi t c hi ng  i s  e ns ur e d  o n  t he   r e c t i f i e r   s t a ge  t hr ou g ho ut   c om m u t a t i o n ,  w h i c h  r e d u c e s  s w i t c h i n g   l o s s  i n   r e c t i f i e r   s t a g e ,   a n d   t h i s   s i m p l i f i e s   t h e   c o m m u t a t i n g   p r o b l e m ,   w h i c h     i t   i s   ve r c om pl e x w i t h   D MC   [ 26 ] .             F i gu r e  5.   S wi t c hi n s e q ue nc e   f o r   pr o pos e Q Z S I MC       3.   C IR C U IT   A N A L Y S IS   OF  T HE   PR OPO S E D   QZ S IM C   F i gu r e   6 s ho w s  t he  c i r c ui t  of  t he  p r o p os e Q Z S I MC   f e e d s  R - L  l oa du r i ng t h e  n o n - s ho o t thr o ugh   ( NS T )   a nd  s h o ot   t hr o ug ( S T )   s t a t e s .   T u r o /   of f   of   t he   bi di r e c t i o na l   s w i t c he s   o f   Q Z S   n e t wo r ( )   w i l l   r u n   i t  i n t o   t w o  s t a t e s .  T h e  fi r s t  s t a t e  i s  N S T ,  a s   s h o w n  i n  t h e   F i g ur e  6 ( a )  ;  i n   t h i s  s t a t e ,  t h e   f r o n t - e n d   r e c t i f i e r  o f   I MC  r uns   i t r a di t i ona l  wa y  a nd   t he   t hr e e  s w i t c he s       ( x  =  a ,  b ,  c )  o Q Z S N a re  t u rn e d   O N ( = 1 ) .  W i t h   t h e   t i m e  p e r i o d  ( 1 - D ,  t h e  c a pa c i t or s  a r e  c ha r ge by  i n du c t or s ;  e a c o ut put   p ha s e   v ol t a ge   of  t he  Q Z S N i s   e qua l  t o  t he  s u m   of  v ol t a ge s  f or  t w o c a pa c i t or s  [ 2 7] .   On  t h e  ot he r  ha n d,  d ur i ng  t he   ST   s t a t e ,  s w i t c h e s     (x  =  a ,   b ,   c )   ar o f f   (   0 )  a s   s h o w n i n F i gu r e   6 ( b) ,  t he  t h r e e   up pe r   s w i t c he s   of   f r ont - en d  r ect i f i er  s t ag e i s  s h o r t   ci r cu i t ed ,   an d   t h e Q Z S N  i n d u ct o r s  f o r  eac h  p h as ar e c h ar g e d  f o r  o n e s w i t ch i n g  c y cl e ,   i f     0   i s  t h e  t i m e   d ur a tion  f or   s ho o t - t hr o ug h  s t a t e ,  t he  s ho ot - t h r o u g h  d u t y  c y cl e i s  cal cu l at ed  a s   D 0 / .   T he   ou tpu t vo lta ge   of   QZ S N   c a n   b e   r a i s e d   t t he   r e q ui r e va l ue   by   c o nt r ol l i ng   s ho ot - t hr o ug dut y .                     R e c ti f ie r  s ta g e   I nve r t e r  s t a ge     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   P o w  E l e c   &  D r i   S y s t   IS S N :   208 8 - 8 69 4       M o de l i ng   a n s i m ul at i on   of   q uas i - Z - s o ur c e  i ndi r e c t   m at r i x   c onv e r t e r   f or   p e r ma ne nt   …  ( A hm e M .   N or i )   8 87       ( a)       ( b)     F i g u r e   6 .   T h e   c i r c u i t   o f   t h e   Q Z S I M C.   ( a )   n o n - s h oot - t hr o ug s t a t e   a nd   ( b)   s ho ot - t hr o ug h s t a t e .       D ue   t 1 = 2 = 1 = 2 = 1 = 2 =L   a nd   = 2 = 1 = 2 = 1 = 2 =C ,   f r om   t he   F i gu r e   ( a ) ,   t he   f ol l ow i ng   e xp r e s s i ons   c a be   obt a i ne d:     1 1 1 = 1 1 1 1 1 1   ( 14 )     2 2 2 = 2 2 2 2 2 2     ( 15 )       1 1 1 1 1 1     ( 16 )     2 2 2 = 2 2 2     ( 17 )     F r o m   t h F i g u r 6   ( b ) ,   i t   can   b o b t ai n ed     1 1 1 = + 2 2 2 1 1 1   ( 18 )           2 2 2 = 1 1 1 2 2 2     ( 19 )     1 1 1 =   2 2 2     ( 20 )     Wh e re       i s   th e   s tr a y   r es is t an c e   of   i n d u ct or s .                     2 2 2 =   1 1 1     (21)     I n on e   ,  t he  a v e r a ge  va l ue s   of  Q Z S N  i n duc t or  v ol t a ge s  a n Q Z S N  c a pa c i t or  c ur r e nt s  m us t   be  z e r o ,   = 0 .   T he n,     f r o m     E qua t i o ( 14 )   -   ( 2 1 ) ,   t h a v er a g e q ua t i on s   c a be   obt a i ne d   a s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 8 6 94   I n t   Po w   E l ec  &   D r i   Sy s t ,   V o l .   10 ,   N o .   2 ,   Ju n e   2 01 9   :    88 2     8 99   8 88   1 1 1 = ( + 2 2 2 ) + ( 1 ) ( 1 1 1 ) = 0   ( 22 )     2 2 2 = 1 1 1 + ( 1 ) ( 2 2 2 ) = 0   ( 23 )     1 1 1 = ( 2 2 2 ) + ( 1 ) ( 1 1 1 ) = 0   ( 24 )     2 2 2 = ( 1 1 1 ) + ( 1 ) ( 2 2 2 ) = 0   ( 25 )     F r om   E qu a tio ( 2 2)   - ( 25 ) ,   t he   Q Z S c a pa c i t or   v ol t a ge s   a n d   i nd uc t o r   c ur r e nt s   of   QZ S N   ar e:     1 1 1 = ( 1 ) ( 1 2 )   ( 26 )     2 2 2 = ( 1 2 )   ( 27 )     1 1 1 = 2 2 2 =   ( 28 )     F r om   E qu a tio ( 2 6)   -   ( 2 8) ,   t he   o ut p ut   v ol t a ge s   a n c ur r e nt s   of   QZ S N   a r e :     = ( 1 2 ) ( 1 )   ( 29 )     = 1 1 2   ( 30 )     T he t he   v ol t a ge   bo os t   f a c t o r   ( B )   ca n   b e x p r es s e d   as :     =     = 1 1 2   ( D   <   0 . 5 )   ( 31 )     Wh e re       i s   de f i n e a s   t he   a m pl i t ude   o f   out put   vol t a ge s   ( ,   ,   o f   QZ S N   a n d     r e pr e s e nt s   t he   i n put   pha s e   vol t a ge   a m pl i t ud e .   T he   r e l a t i on   be t w e e t he   b o os t   f a c t or   a n s ho ot   t hr ou g dut r a t i i s   e x pl a i ne i n   th e   F igur e   7 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   P o w  E l e c   &  D r i   S y s t   IS S N :   208 8 - 8 69 4       M o de l i ng   a n s i m ul at i on   of   q uas i - Z - s o ur c e  i ndi r e c t   m at r i x   c onv e r t e r   f or   p e r ma ne nt   …  ( A hm e M .   N or i )   8 89       F i gu r e  7.   V ol t a ge   bo os t   ve r s u s   s h o ot - thr ough  d u t y  r a tio       T he   a ve r a ge   dc - l i n k   v o l t a g e   o f   t h e   Q Z S I M i s     = 3 2      ( )   ( 32 )     Wh e re       i s   p ha s e   a n gl e   be t w e e n   o ut p ut   p ha s e   v ol t a ge   a nd   c ur r e nt   o f   Q Z S N .   T he  m odul a t i on i n de 0   o f  t h e i n v er t er  s ta g e  is     0 = 3     ( 33 )     W h er   i s   t he  a m pl i t ud e  of  o ut p ut  pha s e  vo l t a ge   f or  Q Z S I MC ,   a n d   t he   v ol t a ge  ga i n   G   of  t he  p r op os e Q Z S I M C   i s   o b t a i n e d   a s :       = = 0 3     =     3 2   0 1 2 = 3 2   ( 34 )     Wh e re   =1 D ,   t h e   eq u at i o n   o f   v o l t ag g ai n   can  b r e w r i t t en  as :     = 0 . 8 6 6 ( 1 ) 0 1 2   ( 35 )       4.   P A R A M ETER S   D ES I G N  O F   Q ZS   N ET W O R K   T he  s wi t c hi n g  c ur r e nt   r i p pl e  a nd  v ol t a ge  r i ppl e  a r e  s i g ni f i c a nt  i t e m s  i c ho os i ng i nd u c t a nc e s  a n d   cap aci t an ces   o f  Q Z S N ,  s i n ce  t h e i n d u ct o r   o f   t h e   Q Z S N   m u s t  l i m i t  s w i t c h i n g  c u r r e n t  r i p p l e ,  a n d  c a p a c i t o r   m us t   l i m i t   s wi t c hi n v ol t a ge   r i ppl e ,   f r om   s h o ot   t hr o ug a nd  no n - s h o ot   t hr o ug s t a t e s   t he   r i ppl e   o f   c ur r e n t   a nd  vol t a ge   c a be   e xp r e s s e a s :     ̇ 1 = ( 1 ) ( 1 2 )     ,   = 1 2   ( 36 )     Wh e re     1   i s   t he   i nd uc t o r   c ur r e nt ,   de n ot e s   t he   s wi t c hi n f r e qu e nc y ,     de n ot e s   t he   i n p ut   p ha s e   vol t a ge .   T he   de s i r e d i n duc t or  c ur r e nt  r i p pl e  i s  a s s u m e w i t hi n   1 ,  a nd t he  r e q ui r e d c a pa c i t or   vo l t a ge  r i p pl e  i s   a s s um e d  wi t hi 2 ,  wh e re   1   is  r i p p le  r a tio of  t he  c ur r e n t a n k 2   i s  t h e   r i p p l e   r a t i o   o f  t h e  v o l t a g e ,  a n d     a nd     a r e  t he  r a t e d  i n put  c ur r e nt   a n d t he  r a t e d  v ol t a ge  o n c a p a c i t o r - 2 ,  r es p ect i v el y .  F r o m   E qu a tio n ( 2 7) ,   D Vs   /  (1 2 D )  w i t h     t he  r oot  m e a n   s qua r e  va l ue  of   g r i d vol t a ge ,   t he t he   Q Z S N   i n d u ct an ce   an d   cap aci t o r   a r d er i v e d   as   f o l l o w i n g   [ 2 8 ] :     ( 1 )   1     ( 1 2 )   ( 37 )      2 ( 1 2 )   ( 38 )         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S SN :   2 088 - 8 6 94   I n t   Po w   E l ec  &   D r i   Sy s t ,   V o l .   10 ,   N o .   2 ,   Ju n e   2 01 9   :    88 2     8 99   8 90   5.   C O N T R O L   S T RA T E G O F   S H O O T   T H R O U G H   D U T R AT I O   F r o m   E q ua t i on   ( 35 ) ,   I t   c a be   a s s um e t ha t   0 =1 .   T o   en s u r t h at   D   i s   t h e   b e s t   o p t i m i z e d   c h o i c e ,   t h e   v al u o f   D   i s   e s t a b l i s h e d   a s :     D   =   0 0 . 8 6 6     2   0 0 . 8 66     ( 39 )     T h e   f l o w c h a r t  o f  c o n t r o l  a l g o r i t h m  f o r   D   i s  s h o w n i n t h e  F i g ur e   8.  t h e  i np ut   of   m a i n f l ow  c ha r t   i n c l u d e s   a m p l i t u d e   o f   i n p u t   p h a s e   v o l t a g e     a n t he   a m pl i t u d e   of   o ut p ut   p ha s e   v ol t a ge   0   o Q Z S IM C .   W h e n   t he  r e q ui r e d v ol t a ge  ga i G   i s  l es s  t h an   o r  eq u al   0 . 8 66  ( t he  vol t a g e  ga i n of   c on ve nt i ona l   I MC ) ,   i t  i s   n ot   n e c e s s a r y  t o   b o o s t  t h e   v o l t a g e ,  t h e   Q Z S N  w i l l  o n l y  r u n  a s  a  s e c o n d  o r d e r  f i l t e r  w i t h   D   =  0,  a nd  = 1 .   W he t he   r e qu e s t e   i s   l a r ge r   t ha 0. 86 6,   t he   va l ue   of   s h oot   t hr ou g d ut r a t i D   i s   e q u a l   t o     0 0 . 8 66     2 0   0 . 86 6     a nd     =1 D ,   w hi c a c hi e ve s   o pt i m a l   ope r a t i o of  Q Z S I MC   ba s e dr i ve   s ys t e m .           F i g u r e   8 .   F l o w c h a r t   o p t i m a l   o p e r a t i o n   c o n t r o l   o f   D       6.   MA T H E M AT I C AL   M O D E L   O F   T H E   P MS M   T he  r e pl a c e m e nt  of   r ot o r  wi n di n gs  b y pe r m a ne nt   m a gne t s   gi ve   t he  pe r m a ne nt   m a gne t  m ot o r  m a ny   a dva nt a ge s  i nc l udi n g  t he   r e m ova l   of  b r us he s ,  s l i p   r i n gs ,  a nd  c op pe r  l os s e s  i n  t h e   r ot or ' s  f i e l d   wi n di n g.  I t   m a ke s  t he  m ot or  t o r u n i n a   hi g he r  e f f i c i e n c y.  T he   m a t he m a t i c a l  m ode l  of  a  P MS M i s  l i ke  t o t h a t  of  t he   w oun d r o t o r  s y n c h r o n o u s  m o t o r ,  s i n c e  t h e   s t a t o r   o f   b o t h   m o t o r s  a r e  s i m i l a r .  T o  d e r i v e   m a t h e m a t i c a l   m o d e l ,   t he   f ol l o wi n a s s um pt i o ns   m u s t   be   c o ns i de r e f o r   P MS M   [ 1 5] .   a.   S a t u r a t i o n   i s  n e g l e c t e d .     b.   T he   ba c e m f   i s   s i n us oi da l .   c.   Ed d y   c u r r e n t a n d   h y st e r e si l o sse a r e   ne gl i gi bl e   T he   t hr e e  p ha s e   P M S M vol t a ge s  ( A - B - C)   ar co n v e r t ed   t o  t w o  p h as e v o l t ag es  b y   P a r k - Cl a r k  t r a n s f o r m a t i o n   as :     0 = cos   s i n ( ) 1 2                        ( )  ( ) 1 2                            ( 2 )  ( 2 ) 1 2     ( 40 )     Wh e re ,     i s   t h e   r o t o r   a n g l e   a n d     2 / 3     A c c o r di n g t o   P MS M  e q ui va l e nt  c i r c ui t  i n  t he   r ot or  r ot a t i n r e f e r e nc e   f r a m e ,  t he   v ol t a g e  e q ua t i o ns  a r e  gi ve n   a s   [1 8 ] :     = +   ( 41 )     = + +   ( 42 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   P o w  E l e c   &  D r i   S y s t   IS S N :   208 8 - 8 69 4       M o de l i ng   a n s i m ul at i on   of   q uas i - Z - s o ur c e  i ndi r e c t   m at r i x   c onv e r t e r   f or   p e r ma ne nt   …  ( A hm e M .   N or i )   8 91     Wh e re   d   a n   ar d - q   a x i s   v o l t a g e s ,     a nd     ar d - q   a xi s   c ur r e nt s ,     a nd    ar d - q - a xi s   f l u xe s   a n   i s   t h e  e l e c t r i c a l   r o t o r  s p e e d  i n  r a d / s ,       i s  t he   s t a t or   r e s i s t o r .   T he   f l u xe s  o f  pe r m a ne nt  m a gne t  a n d  t he   el ect r o m a g n et i t o r q u ar e   g i v en   b y:     = +   ( 43 )     =   ( 44 )     = 3 2 2   ( 45 )     Wh e re     i s   t he  n um be r  of  pol e s ,   a nd     i s   pe r m a ne nt  m a g ne t  f l ux  l i n ka g e ,  a n d t he  m e c ha ni c a l  e x pr e s s i o o f   t or que   i s       = + + d d   ( 46 )     Wh e re       i s   t h m ech a n i cal   s p e ed ,     i s   t h e   i n e r t i a   m o m e n t   o f   t h e   m o t o r   a n d     i s   t he   l oa d   t or q ue ,     i s   ex p r es s e d   as   f o l l o w s .     = d   ( 47 )       7.   V E C T O R   CO NT RO L   O P MS M   V e c t o r   c o nt r ol   i s   hi gh - pe r f o r m a nc e   c o nt r ol   t e c hni q ue   w hi c i s   e qui va l e nt   t s pe e c o nt r o l   m e t h od   of   D m a c h i n e s  [ 1 7 ] .  I t   i s   ob s e r ve d f r om  E q ua t i on  ( 47 )  t ha t   m ot o r  s pe e d c a n be  c o nt r ol l e d t h r o u gh c o nt r ol l i n g   t he  de l i ve r e t or que .  F or   s ur f a c e  m o unt e d P MS M,  t he   d   an d   q   i n d u ct an ces   a r e eq u al   ( = )   T h g en e r at ed   t o r q u i s   e x p r es s e d   as :     = 3 2 2   ( 48 )     T o ob ta in    a n   fr o m  t h re e -   pha s e  m ot or   c ur r e nt s ,  P a r k - Cl a r k e  t r a n s f o r m a t i o n  i s  u s e d ,  w h i c h   c on s i de r   a   f l u x   ge ne r a t i n a n t o r que  o f   s t a t or   c u r r e nt   c om po ne nt s ,   r e s pe c t i ve l [ 1 9] .     =                      ( )         ( )                  ( 2 )          ( 2 )     ( 49 )       T he   r e f e r e nc e   s pe e i s   c o m pa r e w i t t he   a c t ua l   m ot or   s pe e a nd  t he   r e s u l t i ng  e r r o r   i s   a ppl i e d   t t he   P I   c ont r ol l e r .   T he   out put   of   t he   P I   c ont r ol l e r   i s   r e pr e s e nt e a s   ,   w h i l e   t h e   re fe re n c e   o     i s   s e t   t o   z e r o .   T h e   r ef e r en ces     a nd     a r co m pa r e d   wi t h   t r a n s f or m e d   s t a t or   c ur r e nt   a n a p pl i e t a n ot he r   P I   c ont r ol l e r s .   F r o m   t he  out put   o f  bot h P I   c o nt r o l l e r s   ( d - q )   vol t a ge s  c a n  be   g e ne r a t e d.  T h us ,  P I  c o nt r ol  l o op  f o r     i s u se d   t o   pr o vi de   ,   a nd   t he   r ot o r   s pe e d   P I   c o nt r ol l e r   i s   us e d   t ge t   t h r ef e r en c ,   w h i c i t ur n   p r o vi de s       w i t h   P I   c ont r ol   l o o f o r     , a s   s h o w i n   t he   F i g ur e   9.     I   E qu a t i on  ( 4 1)   a nd  ( 4 2 ) ,   (   +   λ m )     a nd      ar c ou pl i n g t e r m s .  I f  s pe e d  o f   m ot o r  i s  hi gh ,  t h e i r  e f f e c t  c a n n ot   be   ne gl e c t e d.  I o r de r  t r e m o ve  t he  c o u pl i ng  p ar t ,  t h es e t w o  t er m s  m u s t   b e ad d ed  t o  ( d - q )   v ol t a ge s .  T he  de c o u pl i ng  c ont r ol   bl oc k,     a nd     can  b e   cal cu l at ed   as :     =     ( 50 )         (   +   λ m )   ( 51 )             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.