I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv e  Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 4 5 7 ~ 1 4 6 6   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 4 . pp 1 4 5 7 - 1 4 6 6          1457       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   Using  t he  F iv e - L e v el NP C   I nv erte r   to  I m pro v e t he  F O C  C o ntrol  o f  the  Asy nchro n o us M a chine        M o un a   Es - Sa a di 1 ,   M o ha m ed   K ha f a lla h 2 ,   H a m i d Cha i kh y 3   1, 2 L a b o ra to ry   o f     En e rg y   &   El e c tr ica ls  S y ste m s ( L ES E). ENS EM ,   H a ss a n   II  Un iv e rsit y ,   M o ro c c o     3 L a b o ra to ire d e s sc ien c e s d e   l’i n g é n ieu r  p o u r   l’én e rg ie,  Eco le Na ti o n a le d e s sc ien c e s A p p li q u é e s,    Un iv e rsité Ch o u a i b   Do u k k a li , M o ro c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   7 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma y   6 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   6 ,   2 0 1 8       M a n y   re s e a rc h e s  h a v e   b e e n   d e d ica ted   to   d e v e lo p   t h e   in d u c ti o n   m o to r  d riv e   c o n tro l  stra teg y   u se d   o n   t h e   ra il w a y   trac ti o n   a p p li c a ti o n s.  I n   th is  p a p e r  w e   p ro p o se   to   in v e stig a te  a n d   to   imp ro v e   th e   e lec tri c   lo c o m o ti v e s  b y   u sin g   a   F ield   Orie n te d   Co n tro l  (F OC)   str a teg y   o f   in d u c ti o n   m o to r  d riv e .   T h is  in d u c ti o n   m o to r  c a n   b e   p o w e re d   b y   a   f iv e - sta g e   n e u tral  p o i n t  i n v e rter   c o n tro ll e d   b y   sin u so id a l  p u lse   w id th   m o d u lati o n   (S P W M )  d u e   to   g o o d   q u a li ty   f o r  o u tp u t  v o lt a g e   a n d   T h e   u se   o f   f a st  s w it c h e s.  Bo th   c o n v e n ti o n a l   a n d   im p ro v e d   lo c o m o ti v e s  a re   si m u late d   in   M a tl a b /S im u li n k   a n d   c o m p a re d   in   o p e n   lo o p   c o n d it i o n s      a n d   c lo se d   lo o p   c o n d i ti o n s  u si n g   IP   c o n tro ll e r,   in   term   o f   to rq u e   re sp o n se ,   c u rre n t  h a rm o n ic  d ist o rti o n s  a n d   ro to r  sp e e d   re sp o n se .   K ey w o r d :   NP C   in v e ter   R ail w a y   FOC   I n d u ctio n   m ac h i n e   SP W M   Co p y rig h t  ©   201 8  In s t it u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ha m id   C h ai k h y ,     L ab o r ato ir e  d es scien ce s   d e  l’ i n g é n ie u r   p o u r   l’ é n er g ie ,   E co le  Natio n ale  d es scie n ce s   A p p liq u ée s ,   R o u te  d ' az ze m o u r ,   Natio n ale  N°1 ,   E lh ao u zia  B P   : 1 1 6 6   E l  J ad id a  2 4 0 0 2   Ma r o c .   E m ail:  c h aik h y . h a m id @ g m ai l.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   C o n ce r n s   o v er   t h e  e n v ir o n m e n t  l ik e   en er g y   p r ices  a n d   co n g esti o n   ar e  ca l lin g   f o r   w a y s   t o   m i n i m iz e   ec o n o m ical,   ec o lo g ical  an d   s p atial  f o o tp r in t  o f   tr an s p o r tat io n   [ 1 ] ,   Du r in g   lo n g   y ea r s ,   Diesel  en g i n es  w er e  u s ed   f o r   tr an s p o r tin g   g o o d s   an d   p ass en g er s ,   b u t  n o w a d ay s   th e y   ar e  co n s id er ed     to   b e  a   s o u r ce   o f   en v ir o n m e n tal  d is a s ter   o n   w h ee ls .   T h u s ,   th er e  w a s   a  d esire   to   i m p r o v e  th e  e f f ic ien c y   an d   r eliab ilit y   o f   th e   tr ac tio n   d r iv e.   T h is   lead   to   th e  elec tr if icatio n   o f   th e  r ail w a y   s y s te m   [ 2 ] .       E lectr ic  tr ac tio n   d r iv e  h a s   n o w   b ee n   co n s id er ed   to   b e  an   ef f icie n t  w a y   o f   tr a n s m itt in g   p o w er   to   t h e   tr ac tio n   m o to r s   t h at  ca n   d eliv er   as  m u ch   as   t w o   ti m e s   t h e    p o w er   o u tp u t  o f   eq u iv ale n t   d i esel  tr ac tio n .   I t  h as   h ig h   p o w er - to - w ei g h t  r atio   wh ich   r es u lts   in   f a s ter   ac ce ler ati o n   [ 3 ] ,   b u t  elec tr ic  tr ac tio n   f ac e  m a n y   ch al len g es .   E s p ec iall y ,   th e  i m p r o v ed   o v er all  p er f o r m a n ce   an d   les s   v ib r atio n   r esu lt s   in   f aster ,   m o r e  co m f o r tab le,   s m o o t h er   an d   q u ieter   j o u r n e y s   f o r   th e  p ass e n g er s .   T h e  elec tr ic  tr ac tio n   d r iv es  r eq u ir es   m ed iu m   v o lt ag e  an d   h i g h   p o w er   o p er atio n .   T h is   ca n   b e  ac h iev e d   w i th   t h e  h elp   o f   m u l tile v el  i n v er ter s   [ 4 ] - [ 6 ] .   I n   f ac t,  t h e   ai m   o f   t h i s   w o r k   is   to   s h o w   t h e  i m p r o v e m e n t  o f   a  co n v e n tio n al  Dir ec t  f ield   o r ien ted   co n tr o l  s tr ateg y   i n d u ctio n   m ac h i n e   p er f o r m a n ce s   i n   b o th   s tead y   s t ate  an d   tr an s ien t  co n d itio n s   a f ter   r ep lacin g   th e  co n v e n tio n al  t w o   lev e ls   in v er ter   b y   a n   n e u tr al  p o in t  cla m p ed   i n v er ter   co n tr o lled   b y   SP W M.   I n   T h is   w o r k     o p en   an d   clo s ed   lo o p     s im u latio n   r esu lt s   u s i n g   Ma t lab /  Si m u li n k   ar e  p r ese n ted   f o r   a  B B 3 6 0 0 0 .   T h e  p r in cip le  o f   DF OC   an d   NP C   ar e  al s o   p r esen ted .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8   :    1457   –   1 4 6 6   1458   2.   P RINCI P L E   O F   DF O C  S T RAT E G Y  F O R  I NDUC T I O N   M ACH I NE   USI N G   T WO   L E V E L S  I NVE RT E R   R o to r   f ield   o r ien ted   co n tr o l,  as  d escr ib ed   b y   B lasc h k e,   i s   a  m et h o d   o f   co n tr o llin g   a  r o tatin g   f ield   m ac h in e   i n   s u c h   a   m a n n e r   to   a ttain   in d ep en d e n t  co n tr o l  o v er   th e   to r q u e  a n d   t h e  f l u x   co m p o n en t s   o f   t h e  s tato r   cu r r en t   [ 7 ] - [ 9 ] .   A p p lied   to   in d u ctio n   m o to r s ,   it  m ak e s   it  p o s s ib le  to   co n tr o l  th e  m ac h i n e  i n   a  m an n er   s i m ilar   to   th e  co n tr o l  o f   a  s ep ar atel y   e x cited   DC   m ac h i n e,   a n d   h en ce   it  e n ab les  t h e  u s e  o f   i n d u ctio n   m o to r s   i n   ap p licatio n s   r eq u ir in g   h i g h - d y n a m ic  p er f o r m a n ce ,   w h er e  tr ad itio n all y   o n l y   DC   d r iv e s   w er e  ap p lied .   T h e   co n ce p t  o f   Field - Or ie n ted   co n tr o l  ( FOC )   ap p lied   to   in d u ctio n   m o to r   d r iv es,  allo w s   u s   t o   p er f o r m   f a s t  an d   f u ll y   d ec o u p led   co n tr o l  o f   to r q u e  an d   f lu x .   T o   o b tain   s u ch   a  d ec o u p led   co n tr o l,   FOC   alg o r ith m s   n ee d   to   k n o w   t h e  r o to r   f lu x   a n g u lar   p o s itio n   to   co r r ec tly   ali g n   t h e  s tato r   cu r r en t  v ec to r .   A s   a   co n s eq u en ce   it  i s   p o s s ib le  to   co n tr o l  to r q u e  an d   r o to r   f lu x   i n   a  D C   m ac h i n e  co n tr o l  f as h io n ,   b y   ac t in g   o n   t w o   s ep ar ated   co m p o n e n t s   o f   t h e  s tato r   cu r r e n t  i sd     an d   i sq    (e q u atio n   ( 1) ) .   Af ter   ap p l y i n g   t h e  r o to r   f ield   r o tatio n   ( Fig u r e   1 ) ,    ^ = ^   an d    ^ = 0   .       I M  m ac h i n e  r elatio n s   b ec o m e s   th e n :      = 1 +           =      ( 1 )           Fig u r e.   1   Or ien tatio n   o f   th e  r o to r   f ield   to   d   ax is   o f   th e  ( d , q )   r ef er en ce       B ef o r e  ap p ly i n g   t h is   o r ie n tati o n ,   th e  d eter m i n atio n   o f   r o to r   f l u x   a n g u lar   p o s itio n   i s   n ec e s s ar y .   Dir ec t   f ield   o r ien ted   co n tr o l  ( DFO C )   an d   I n d ir ec t  f ield   o r ien ted   co n tr o l  ( I FOC )   ar e  th e  t w o   m et h o d s   u s ed   to   o b tain   th is   p o s itio n .   Usi n g   e q u at io n   2 ,   ^ an d   ^   ar e  esti m ated   u s in g    an d      r esp ec ti v el y ,   a n d   ar e  co m p ar ed   to   ∗ an d   ∗ .   As s h o w n   i n   Fi g u r e  2   to r q u e  an d   f l u x   ar e  d ir ec tl y   co n tr o lled   in   DFOC .     {                  = [ ( +  ) ( 1 + ) ℳ + ℳ ]  −   = ( +  )    +  + ℳ ^ = 1 +     ^ =    = ∫ ( Ω +    ∗  ∗ )    ( 2 )     Fig u r e   2   s h o w s   t h e  co n tr o l str ateg y   s ch e m e  o f   D FO C :       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Usi n g   th e  F ive - Leve l NPC   I n ve r ter to   I mp r o ve   th e  F OC   C o n tr o l o f th e  A s yn ch r o n o u s   ....   ( Mo u n a   E s - S a a d i)   1459       Fig u r e  2 .   Dir ec t Field   o r ien ted   co n tr o l stra teg y   s ch e m e  o f   I M  u s i n g   t w o   le v el  i n v er ter       T o   en s u r e  d ec o u p led   co n tr o l  f o r   to r q u e  an d   f lu x ,   o m p e n s ati o n   ter m s   f em d   an d   f em q   (e q u atio n   3 )   ar e  ad d ed     t o   o b tain   a  d   an d   q   ax es c o m p letel y   in d ep en d e n t.     { =    =    + ℳ   ( 3 )     E q u atio n   2   s h o w s   t h at  h o w   p o s itio n   θ s   an d   v o ltag e s   v sq , v sd   ar e  ca lcu lated .   Us in g   P ar k   p o s itio n θ s ,  v sq , a n d v sd   ar e  tr an s f o r m ed   a n d   in j ec ted   to   th e  t w o   lev e ls   i n v er ter .   A  s in u s o id al  p u ls e   w id th   m o d u latio n   i s   u s ed   to   co n tr o l  th i s   in v er ter   ( F ig u r e   3 ) .   I n   SP W M  m o d u latio n ,   P u ls es  r es u lt in g   f r o m   th e  c o m p ar is o n   b et w ee n   a  s in u s o id al  r ef er e n ce   s i g n al  a n d   tr ian g u lar   ca r r ier   ar e  in j ec ted   to   th e  s w itch e s ,   to   o b tain   tw o   v o lta g e  le v els.           Fig u r e  3 .   P r in cip le  o f   th e  SP W M  t w o   lev el s   co n tr o l stra te g y       3.   I M P RO VE M E NT   O F   DF O C  ST RA T E G Y  F O R  I M   Mu ltil e v el  co n v er s io n   s tr u ct u r es  co n s tit u te  a  s o lu tio n   to   im p r o v e  th e  p er f o r m a n ce s   g iv en   b y   th e   class ical  s tr u ct u r es  w it h   t w o   v o ltag es  le v els.  Fo r   m ed iu m   v o ltag e  h ig h   p o w er   ap p licatio n s   as  r ail w a y   tr ac tio n   ap p licatio n s ,   th e  co s t  o f   s e m i co n d u cto r   d ev ices  is   i n cr ea s e d .   Mu ltil ev e l  s tr u ct u r es  o f f er   a  r ed u ctio n   o f   th e   v o ltag e   s tr es s   t h at  co m p e n s at es  f o r   t h e  i n cr ea s ed   n u m b er   o f   d ev ice s   [ 1 0 ] , [1 1 ] .   A ls o   t h i s   s tr u ct u r es  o f f er   t h e   ad v an ta g e  o f   r ed u cin g   th e  s i ze   o f   th e  o u tp u t  f il ter     b y   lo w er i n g   t h e  to tal  h ar m o n ic  co n ten t.  T h en ,   to r q u e  r ip p les  f o r   m o to r   d r iv e  ap p lic atio n s   w ill  b e  r ed u ce d .   E v en   if ,   Stack   C ell   an d   Neu tr al  p o in t  p ilo ted   in v er ter s   h av e   a  w id e  i n d u s tr ial  s p r ea d   m o s tl y   i n   m ed i u m   v o ltag e   ap p licatio n s .   T h e y   h a v e  d i s ad v a n tag e s   l ik e   u n eq u a l   s w itc h es  lo s s e s   d is tr ib u t io n .   T o   s o lv e  th is   p r o b le m ,   NP C   in v er ter   is   th e  m u ltil e v el  in v er te r   ch o s en   to   b e  u s ed   to   r ep lace   th e  t w o   le v el s   i n v er ter   [ 1 2 ] , [1 3 ].     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8   :    1457   –   1 4 6 6   1460   3 . 1 .   P rinciple o f   t he    f iv e  lev el  N P C  inv er t er   As  s h o w n   i n   F ig u r e   4 ,   ea ch   l eg   o f   t h e  NP C   i n v er ter   co n ta in s   s ix   c la m p ed   d io d es  an d   e ig h t  o th er   v er tical  I GB T s .   T o   o b tain   th e   f i v e   v o lta g e  lev el s ,   s w itc h es   ar e  f o llo w i n g   s w i tch in g   s tate s   as  s h o w n   in   T ab le   1 .   Fig u r e   5   s h o w s   th e  f o u r   ca r r ier s   SP W M  co n tr o l stra teg y   u s in g   f o r   o n e  leg   o f   t h e  NP C   in v er ter   [1 4 ] , [1 5 ] .           Fig u r e.   4 . Stru ct u r e  o f   a  f i v e - le v el  NP C   in v er el u r   b r u s h       T ab le  1 .    B asic s w i tch i n g   o f   t h e  f iv e  le v el s   NP C   in v er ter   V o l t a g e   V a   S w i t c h i n g   st a t e   T 4 2 +   T 3 +   T 2 +   T 1 +   T 4 2 -   T3 -   T2 -   T1 -   V d c / 4   1   1   1   1   0   0   0   0   V d c / 2   0   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   0   0   V d c / 4   0   0   0   1   1   1   1   0   - V d c / 2   0   0   0   0   1   1   1   1           Fig u r e  5 .   SP W M  o f   th e  NP C   5 - lev el  i n v er ter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Usi n g   th e  F ive - Leve l NPC   I n ve r ter to   I mp r o ve   th e  F OC   C o n tr o l o f th e  A s yn ch r o n o u s   ....   ( Mo u n a   E s - S a a d i)   1461   T h e   F ig u r e   6   s h o w s   t h e  o u t p u t  v o ltag e s   o f   th e  f i v e  lev e ls   NP C   in v er ter   s ili m u la ted   in   m atlab   /   s i m u li n k   w h er e  w e  o b s er v ed   t h e  f i v e  v o ltag e  le v els .           Fig u r e   6.   O u tp u t  v o ltag e s   o f   t h e   f i v e  le v els NP C   i n v er ter       3 . 2 .   I m pro v e m ent   o f   DF O C  s t ra t e g y   us ing   NP C  f iv e  lev els inv er t er   T o   im p r o v e  th e  tr a n s ie n t  a n d   s tead y   s tate  p er f o r m a n ce s   o f   DFOC   s tr ate g y   f o r   I M,   an d   to   r ed u ce   v o ltag e   s tr es s   i n   s e m ico n d u c t o r s   esp ec iall y   f o r   h i g h   p o w er   ap p licatio n s ,   i n s tead   o f   th e   t w o   le v el s   i n v er ter   a   f i v e  lev els  NP C   i n v er ter   is   u s ed   w ith   a n   ap p r o p r iate  SP W M  co n tr o l  s tr ateg y .   A s   s h o w n   in   Fig u r e   7 ,   all  th e  o th er   b lo ck s   o f   DFO C   s tr ate g y   s c h e m e  s till   u n c h a n g ea b le  [ 1 6 ].           Fig u r e  7 .   Field   o r ien ted   co n tr o l stra teg y   s c h e m e  o f   I M  u s in g   f i v e  lev el  i n v er ter   NP C       4.   SI M UL AT I O N  R E S UL T S  AND  DIS CUSS I O N   T o   v er if y   e f f ec ti v en e s s   o f   u s i n g   f i v e  lev el s   NP C   i n v er ter ,   s i m u lat io n s   ar e  m ad e  f o r   a  h i g h   p o w er   m ed iu m   v o ltag e  ap p licatio n   w h ic h   is   r ail w a y   tr ac tio n   ap p licatio n .   A   s i m u latio n   te s t  o n   th e  B B   3 6 0 0 0   lo co m o ti v e  i n d u ctio n   m ac h i n e   w it h   p ar a m eter s   p r ese n ted   in   T A B L E . 6   h as b ee n   p er f o r m ed .   I n   th i s   s ec tio n   th e  t w o   s tr ateg i es: DFO C   o f   I M  s u p p lied   b y   t w o   le v els i n v er ter   2 L _ DFO C   an d   DFO C   o f   I M  s u p p lied   b y   NP C   f i v e  le v els i n v er ter   5 L _ DFO C   ar e  co m p ar ed   f o llo w i n g   m e th o d   as s h o w n   b elo w :    I n   o p en   lo o p   co n d itio n s :   a.       Stead y   s tate  p er f o r m an ce : T h e   t w o   s tr ate g ies ar e  co m p ar ed   in   ter m   o f   c u r r en t a n d   to r q u e  r ip p les.   b.   T r an s ien t  p er f o r m a n ce :  T h e  t w o   Stra te g ies  ar e  co m p ar ed   in   ter m   o f   T i m e  r esp o n s e  to   a  s t ep   v ar iatio n   o f   th e  to r q u e  co m m an d .   I n   clo s ed   lo o p   co n d itio n s :   a.   T h e  t w o   s tr ateg ies  ar e  co m p ar ed   in   ter m   o f   p u r s u i t  o f   t h e  r o to r   s p ee d   to   th e  s p ee d   r ef er en ce   f o r   d if f er e n t   s p ee d   v ar iatio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8   :    1457   –   1 4 6 6   1462   b.   T h e  t w o   s tr ateg ies ar e  co m p ar ed   in   ter m   o f   b eh a v io r   o f   s p ee d   u n d er   p er tu r b atio n s .     4 . 1 .   O pen lo o p c o nd it io ns   4 . 1 . 1 .   Ste a dy   s t a t e  per f o rm a nce   T h e  s tead y - s tate  p er f o r m a n ce   o f   2 L _   DFO C   a n d   5 L _ DFO C   s ch e m es  h as   b ee n   co m p ar ed   e v alu a tin g   cu r r en t  d is to r tio n s   a n d   to r q u e  r ip p les.   T a b le  2   p r esen ts   a  c o m p ar is o n   b et w ee n   th e  t w o   s tr ateg ies  i n   ter m   o f   cu r r en t  T HD  in   d if f er e n t  to r q u e  v al u es :  1 0 0 %,  5 0 %   an d   - 5 0 %  o f   th e  r ated   to r q u e.   A s   s h o w n   in   t h i s   tab le   T HD  s till   th e  s a m e  f o r   2 L _ D FOC   f o r   th e  t h r ee   to r q u e  v al u es,  b u t  it  is   r ed u ce d   to   t h e  h al f   f o r   t h e  5 L _   DFO C   co n tr o l  s tr ateg y .   As  p r esen t ed   in   Fig u r e  8 ,   T h r ee   lev els  NP C   u s ed   in   t h e  5 L _ DF OC   r ed u ce   cu r r en t   d is to r tio n s .   T h er eb y ,   to r q u e  r i p p les  ar e  r ed u ce d   to   th e  h alf   o f   2 L _ DF OC   to r q u e  r ip p les  v al u e  as  s h o w n   T ab le  3.       T ab le  2 .   C u r r en t T HD  f o r     2 L _ DFOC   an d   5 L _ DFO C     at  d if f er en t to r q u e  v alu e          T H D   2 L _ D F O C   5 L _ D F O C   3 0 0 0   5 . 8 1   %   1 . 1   %   1 5 0 0   5 . 7   %   1 . 2 %   - 1 5 0 0   5 . 8   %   1 . 1 5 %           Fig u r e   8.   C lo s ed   lo o p   I P   s p ee d   co n tr o ller       T ab le  3 .   T o r q u e  r ip p les f o r     2 L _ DFO C   an d   5 L _ D FOC     at  d i f f er en t sp ee d   v al u e          T o r q u e   ( N . m)   2 L _ D F O C   5 L _ D F O C   3 0 0 0   1 3 %   4%   1 5 0 0   1 3 %   4%   - 1 5 0 0   1 3 %   4%       4 . 1 . 2 .   T ra ns ie nt  perf o r m a nce   Fo r   d if f er en t  to r q u e  v a lu e s ,   ti m e  r esp o n s e  s t ill  th e  s a m e,   e v en   i f   t h e  t w o   le v els  i n v er ter   is   r ep lace d       b y   a n   NP C   f iv e  le v els i n v er ter .         T ab le  4 .   T im e  r esp o n s e  f o r     2 L _ DFO C   an d   5 L _ D FOC     at  d i f f er en t to r q u e  v al u e          T o r q u e   (   N . m )   2 L _ D F O C   5 L _ D F O C   3 0 0 0   1 0   ms   1 0   ms   1 5 0 0   1 0   ms   1 0   ms   - 1 5 0 0   1 0   ms   1 0   ms       4 . 1 . 3 .   Clo s ed    lo o p c o nd it io ns   T h e  r o to r   s p ee d   clo s ed   lo o p   DFOC   s y s te m   w i th   I P   co n t r o ller   is   p r esen ted   i n   Fi g u r e  9   an d   I P   co n tr o ller   s ch e m e  is   p r esen ted   in   Fi g u r e   8 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Usi n g   th e  F ive - Leve l NPC   I n ve r ter to   I mp r o ve   th e  F OC   C o n tr o l o f th e  A s yn ch r o n o u s   ....   ( Mo u n a   E s - S a a d i)   1463       Fig u r e   9 .   T h e  r o t o r   s p ee d   cl o s ed   lo o p   5 L _ DFOC   s y s te m   w i t h   I P   co n tr o ller       I n   o r d er   to   h av e  an   ap er io d ic  o f   th e  ab o v e  p r ese n ted   s y s te m ,   w e  f o u n d :     K i = 1 4g τ    an d     K p = J − τ f τ                     ( 4 )     W h er e:  τ = J K p + f   an d     g = K p K p + f   ( 5)     As s h o w n   in   Fi g u r e  1 0 ,   t h e  r o to r   s p ee d   r ef er en ce   is   v ar y in g   f r o m   7 0   r d . s - 1   to   1 5 0   r d . s - 1 ( r ated   s p ee d )   to   - 7 0   r d . s - 1 .   Fo r   b o th   2 L _ DF OC   a n d   5 L _ DFO C   s tr ateg y ,   r o to r   s p ee d   is   f o llo w in g   th e   r o to r   s p ee d   r ef er en ce .   E v en   w it h   ap p l y i n g     a  to r q u e  lo ad   v ar iatio n   f r o m   5 0 0   N. m   t o   1 0 0 0   N. m   to   th e  t w o   clo s ed   lo o p   s y s te m s ,   t h is   p er tu r b atio n   is   d ir ec tl y   r ej ec ted .   T h en ,   f o r   2 L _ DFO C   an d   5 L _ DFO C ,   r o to r   s p ee d s   f o llo w   a g ai n   th ei r   r ef er en ce s   af ter   5 0 m s .   Fi n all y ,   a  d etailed   co m p ar is o n   o f   DF OC   2 L _ DFO C     an d   5 L _ DFO C   i s   s u m m ar ized   i n   T ab le  5.       T ab le   5 .   Deta iled   co m p ar is o n   b et w ee n   2 L _ DFO C   a n d   5 L _ DFOC   P e r f o r man c e s   2 L _ D F O C   5 L _ D F O C   T o t a l   sw i t c h e s n u mb e r   6   2 4   a n d   1 8   d i o d e s   Off - st a t e   v o l t a g e   V dc   V dc 4   C o mp l e x i t y   o f   i mp l e me n t a t i o n   si mp l e   d i f f i c u l t   C u r r e n t   d i st o r t i o n s   N o t   g o o d   ( A r o u n d   5 . 7 %)   G o o d   ( A r o u n d   1 . 1 %)   T o r q u e   r i p p l e s   mo r e   l e ss   R e sp o n se   t o   a   t o r q u e   s t e p   v a r i a t i o n   F a st   ( 1 0 m s)   F a st   ( 1 0 m s)   P u r su i t   o f   t h e   r o t o r   s p e e d   V e r y   g o o d   V e r y   g o o d   B e h a v i o r   o f   S p e e d   u n d e r   p e r t u r b a t i o n s.   G o o d   G o o d                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8   :    1457   –   1 4 6 6   1464   T ab le   6 .   I n d u ctio n   m ac h in e  a n d   s i m u latio n   p ar a m e ter s     P a r a me t e r s   S i g n i f i c a t i o n   M a c h i n e   p a r a m e t e r s   R s= 0 . 0 1 2   S t a t o r   r e si st a n c e   ( Ω )   R r = 0 . 0 1 2   R o t o r   r e si st a n c e   ( Ω )   M = 0 . 0 1 3 5   M u t u a l     i n d u c t a n c e   ( H )   L s=0 . 0 1 3 7   S t a t o r   i n d u c t a n c e   ( H )   L r = 0 . 0 1 3 7   R o t o r     i n d u c t a n c e   ( H )   J=  1 0   F a c t o r   o f   i n e r t i a ( K g . m 2 )   f = 0 . 0 0 2 4   C o e f f i c i e n t   o f   f r i c t i o n   p = 2   N u mb e r   o f   p o l e   p a i r s   S i mu l a t i o n   p a r a m e t e r s   P = 1 . 5   R a t e d   p o w e r   ( M W )   V = 2 0 7 0   P h a se   v o l t a g e   a t   2 2 0 K m/ h   ( V )   V dc = 2 4 0 0   D C   b u s v o l t a g e   ( V )   F p w m = 2 0 0 0   P u l se   w i d t h   mo d u l a t i o n   f r e q u e n c y   ( H z )   C  n o m = 3 0 0 0   R a t e d   t o r q u e ( N . m)   Ω  n o m = 4 3 5   R a t e d   s p e e d   (   r a d / s )           2 L _ DF O C   5 L _ DF O C   O P E N  L O O P   SYS T E M   A       B       C       Curr e n t  (A)   To r q u e   (N.m )   To r q u e   (N.m )   Curr e n t  (A)   T im e  ( s )   T im e  ( s )   T im e  ( s )   T im e  ( s )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Usi n g   th e  F ive - Leve l NPC   I n ve r ter to   I mp r o ve   th e  F OC   C o n tr o l o f th e  A s yn ch r o n o u s   ....   ( Mo u n a   E s - S a a d i)   1465     Fig u r e   10 .  Deta iled   co m p ar is o n   b et w ee n   2 L _ DFO C   an d   5 L _ DFOC   i n   o p en   an d   clo s ed   lo o p   co n d itio n s   in   ter m   o f   A . T o r q u e   r ip p le,   B .   C u r r en t T HD,   C .   T o r q u e  r esp o n s e,   D.   Sp ee d   r esp o n s e       5.   CO NCLU SI O N   T h is   w o r k   p r ese n t  a  d etaile d   co m p ar is o n   b et w ee n   2 L _ DFOC   an d   3 L _ DFO C   u s i n g   an   ANP C   in v er ter .   T h e  t w o   s tr ate g ies  u s ed   a  h i g h   p o w er   ap p licatio n :  r ail w a y   tr ac tio n ,   to   p r esen t  p e r f o r m an ce s   i n   b o th   o p en   an d   clo s ed   lo o p   co n d iti o n s .   As  p r ese n ted   p r ev io u s l y ,   th e   u s e  o f   a   m u lt ilev el   i n v er t er   d ec r ea s e  cu r r en t   d is to r tio n s   an d   to r q u e  r ip p les,  b u t  all  th e  o th er   p er f o r m a n ce s   s till   t h e  s a m e.   T h e  ai m   o f   o u r   f u tu r e  w o r k   is   to   i m p r o v e  3 L _ D FOC   b y   u s i n g   s p ac e  v ec to r   m o d u latio n   in s te ad   o f   s i n u s o id al  m o d u latio n   c o n tr o l  o f   t h e  A NP C  in v er ter .       RE F E R E NC E S   [1 ]   A.   M o g les tu e ,   “ A BB Re v u e , ”  T h e   c o rp o ra te  tec h n ica l   jo u rn a l ,   2 0 1 0 .   [2 ]   V.   S a b a té,   “ T ra c ti o n   é lec tri q u e   f e rro v iaire , ”   T e c h n iq u e s d e   l’i n g é n i e u r ,   2 0 0 8 .   [3 ]   F.   L a c ô te,   e t  a l. ,   “ T ra c ti o n   é lec tri q u e   f e rro v iaire :i n tro d u c ti o n , ”  T e c h n i q u e s d e   l’i n g é n ieu r ,   2 0 0 8 .   [4 ]   A.   Je u n e ss e   a n d   M.   De b ru y n e ,   “ BB3 6 0 0 0   lo c o m o ti v e   m u lt i - ten sio n s eu ro p é e n e , ”   RCC ,   v o l.   9 ,   1 9 9 8 .   [5 ]   J.  M a n g u e ll e ,   “ Co n v e rti ss e u rs  m u lt i - n iv e a u x   a s y m é tri q u e s  a li m e n tés   p a r   tran sf o r m a teu rs  m u lt i - se c o n d a ires   b a ss e   f ré q u e n c e   :  Ré a c ti o n   a u   ré se a u   d ' a li m e n tatio n , ”   T h è se   d e   d o c t o ra t  e n   g é n ie  é lec tri q u e ,   Ec o le   P o ly tec h n iq u e   F é d é ra le d e   L a u sa n e ,   2 0 0 4 .     [6 ]   J.  Ro d rig u e z ,   e t  a l. ,   “ A   su rv e y   o n   n e u tral - p o i n t - c lam p e d   in v e rters , ”   IEE E  T ra n s.  I n d .   El e c tro n . ,   v o l .   7 ,   p p .   2 2 1 9 - 2 2 3 0 ,   2 0 1 0 .     [7 ]   H.   Ch a ik h y ,   e t  a l. ,   “ Ev a lu a ti o n   d e s  p e rf o r m a n c e s  d e s  c o m m a n d e s  v e c to rielles   d e   la  m a c h in e   à   in d u c ti o n , ”   Rev u e   d e   g é n ie i n d u strie l ,   v o l.   6,   p p .   23 - 32 ,  2 0 1 1 .   [8 ]   F .   Blas c h k e ,   “ A   n e w   m e th o d   f o r  t h e   stru c t u ra l  d e c o u p l in g   o f   A . C.   in d u c ti o n   m a c h in e s,”  Co n f.   Rec .   IFA C,   Du e ss e ld o rf,  Ge rm a n y ,   p p .   1 – 15 ,  1 9 7 1 .   [9 ]   Ch .   Be n z a z a h ,   e t  a l. ,   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  I n n o v a ti o n   a n d   A p p li e d   S t u d ies ,   v ol /i ss u e :   9 ( 2 ),   p p .   8 4 1 - 8 5 2 ,   2 0 1 4 .     [1 0 ]   N.   S c h ib il i,   e t  a l. ,   “ A   T h re e - P h a se   M u lt il e v e l  Co n v e rter  f o r  Hig h - P o w e r  In d u c ti o n   M o t o rs  On   P o w e r  El e c t. ,   v ol /i ss u e :   13 ( 5 ),   1 9 9 8 .     [1 1 ]   S .   R.   P u li k a n ti ,   e t  a l . ,  “ S HE - P W M   sw it c h in g   stra te g ies   f o r  A c ti v e   Ne u tral  P o i n t  Clam p e d   M u lt il e v e l  Co n v e rters , ”   AUPE C ,   2 0 0 8 .   [1 2 ]   X .   Jin g ,   e t  a l. ,   “ A p p li c a ti o n   a n d   lo ss e s  a n a l y sis  o f   A NP C  c o n v e rte rs  in   d o u b ly   fe d   in d u c ti o n   g e n e ra to r  w in d   e n e rg y   c o n v e rsio n   sy ste m , ”   IEE E  T ra n s ,   p p .   1 3 1 - 1 3 8 ,   2 0 1 3 .   [1 3 ]   T .   G e y e r,   “ M o d e l  p re d ictiv e   d irec t  to rq u e   c o n tr o l  o f   a   f iv e   l e v e l  AN P C  c o n v e rter d riv e   s y ste m , ”   I EEE   T ra n s a c ti o n s  o n   I n d u stry   Ap p li c a t io n s ,  v o l/ issu e :   48 ( 5 ) ,   2 0 1 2 .   [1 4 ]   J.  Ro d rig u e z ,   e t  a l. ,   “ M u lt il e v e l  In v e rters ;  a   su rv e y   o f   to p o l o g ies ,   c o n tro ls,   a n d   a p p li c a ti o n s,”  IE EE   T ra n s.  I n d .   El e c tro n .,  v ol /i ss u e :  49 ( 4 ) ,   p p .   7 2 4 - 7 3 8 ,   2 0 0 2 .     [1 5 ]   F.  Kie f e rn d o rf ,   e t  a l. ,  “ A NP C - 5 L   tec h n o lo g y   a p p li e d   to   m e d i u m - v o lt a g e   v a ri a b le - sp e e d   d riv e s  a p p li c a ti o n s , ”   In ter n a t io n a l  S y mp o si u m o n   P o w e r E lec tro n ics ,   El e c trica l  Dr ive s,  Au to m a ti o n   a n d   M o ti o n ,   Pi sa ,   It a ly ,  2 0 1 0 .     [1 6 ]   T .   Bru c k n e r,   e t  a l. ,   “ F e e d   fa r w a rd   lo ss   c o n tr o l  o f   th re e   lev e l  a c t iv e   3 L _ NP C  c o n v e rters , ”   IEE E  T ra n s.  o n  In d .   Ap p l . ,   v o l / issu e :   43 ( 6 ) ,   p p .   1 5 8 8 - 1 5 9 6 ,   2 0 0 7 .                 CL O S E D  L O O P   SYS T E M   D       S p e e d   (r a d   . s - 1 )   S p e e d   (r a d   . s - 1 )   T im e  ( s )   T im e  ( s )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 8   :    1457   –   1 4 6 6   1466   B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       M o u n a   Es - sa a d i  w a s  b o rn   i n   M o ro c c o   i n   1 9 8 5 .   He   re c e iv e d   El e c tri c a l  e n g in e e rin g   f r o m   th e   u n iv e rsity   o f   Ca d i  Ay y a d ,   M a rra k e c h ,   f ro m   u n iv e rsit y   o f   Ib n   Zo h r,   Ag a d ir  in   2 0 0 9 .   S h e   w o rk e d   tw o   y e a rs  a s  e lec tri c a l  e n g in e e r  i n   L EONI  a n d   Bo n taz   M o ro c c o   . His  c u rre n tl y   w o rk in g   to w a rd   th e   d o c to ra te d e g re e   in   El e c tri c a l  e n g in e e rin g   a t  ENS EM   o f   th e   Ha ss a n   II  u n iv e rsity ,   Ca sa b lan c a .   His c u rre n t  re se a rc h   in tere sts a re   th e   a re a s o f   e n e r g y   e f f i c ien c y ,   a p p li c a ti o n s o f   p o w e r  e lec tro n ics   a n d   m o to r  d riv e s       M o h a m e d   Kh a fa ll a h   w a s  b o rn   in   M o r o c c o   in   1 9 6 4 .   He   re c e iv e d   B. S c . ,   M . S c .   a n d   Do c to ra t e   d e g re e s  f ro m   Ha ss a n   II  Un iv e rsity ,   Ca sa b lan c a   II,   in   1 9 8 9 ,   1 9 9 1   a n d   1 9 9 5   re sp e c ti v e ly ,   a ll   in   El e c tri c a l  En g in e e rin g .   In   1 9 9 5   h e   jo in e d   t h e   De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g   a t  th e   Na ti o n a l  S c h o o l  o f   El e c tri c it y   a n d   M e c h a n ics   (ENS EM ) ,   Ha ss a n   I I  Un iv e rsity ,   Ca sa b lan c a .   His  c u rre n t  re se a rc h   in tere sts  a re   in   t h e   a p p li c a ti o n   o f   p o w e r   e lec tro n i c s  c o n v e rts  a n d   m o to r  d riv e s.  m _ k h a f a ll a h @ y a h o o . f r     Ha m id   Ch a ik h y   wa s  b o rn   in   M o ro c c o   in   1 9 7 5 .   He   re c e iv e d   B. S c . ,   M .   S c .   d e g re e s  a t  ENS ET   f ro m   th e   Un iv e rsit y   o f   H a ss a n   II,   M o h a m m e d ia i n   1 9 9 8 ,   f ro m   Un iv e rsit y   o f   Ib n o   Zo h r,   A g a d ir  in   2 0 0 5   re sp e c ti v e l y ,   a ll   in   El e c tri c a l  En g in e e rin g .   He   is  c u rre n tl y   w o rk in g   to w a rd s  th e   Do c to ra te   d e g re e   in   El e c tri c a l  En g in e e rin g   a t  th e   in stit u te  o f   e lec tri c a l  a n d   m e c h a n ica l  e n g in e e rin g   (ENS EM )  o f   th e   Un iv e rsity   o f   Ha ss a n   II,   Ca sa b lan c a   I.   His  c u r re n t  re se a rc h   in tere sts  a re   th e   a re a s o f   f ield   o rien ted   c o n tr o ll e rs  a n d   m o to r  d riv e s.  Ch a ik h y . h a m id @g m a il . c o m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.