T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020 ,   pp.   519 ~ 529   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i1. 12440     519       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   PWM   c o n t r ol   t e c h n iq u e s f o r   t h r e e  p h ase   t h r e e   l e ve   i n ve r t e r   d r iv e s       Ar k an   A.   Kad u m   D ep ar t men t   o E l ect r i cal   E n g i n eeri n g U n i v ers i t y   o K u f a ,   Iraq       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT     A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  J a n   26 ,   2019   R e vis e d   J un   2 ,   20 19   Ac c e pted  Ju l   1 8 ,   20 19       In   t h i s   p a p er  t w o   v er y   effi ci e n t   p u l s w i d t h   m o d u l a t i o n   t ec h n i q u es   w ere  d i s cu s s e d   n ame d   Si n   p u l s w i d t h   m o d u l a t i o n   an d   s p ac v ect o p u l s w i d t h   mo d u l a t i o n .   T h b as i s t r u ct u re  o t h t h ree - l ev e l   i n v er t er  n eu t ra l - p o i n t   cl amp e d   i s   i n t ro d u ce d   an d   t h b as i i d ea  ab o u t   s p ac v ect o p u l s w i d t h   mo d u l a t i o n   f o t h ree - l e v el   v o l t a g s o u rce  i n v ert er  h a s   b ee n   d i s c u s s ed   i n   d et a i l .   N eare s t   t h ree  v ec t o r s   s p ace  v ect o p u l s w i d t h   mo d u l at i o n   co n t r o l   al g o ri t h i s   ad o p t ed   as   t h co n t r o l   s t rat e g y   fo r   t h t h ree  p h as t h ree  l e v el   N PC  i n v ert er  i n   o r d er  t o   c o mp e n s a t t h n eu t ral - p o i n t   s h i f t i n g .   Mat h emat i cal   fo rmu l at i o n   fo ca l cu l at i n g   s w i t ch i n g   s e q u e n ce  h as   d et e rmi n e d .   Co mp ara t i v e   an al y s i s   p r o v i n g   s u p e ri o ri t y   o t h s p ace  v ec t o p u l s w i d t h   mo d u l at i o n   t ec h n i q u o v er   t h co n v e n t i o n al   p u l s e   w i d t h   m o d u l a t i o n ,   an d   t h res u l t s   o f   t h s i m u l a t i o n s   o i n v ert er  co n fi rm  t h fea s i b i l i t y   a n d   a d v a n t a g o t h s p ace   v ect o p u l s w i d t h   mo d u l at i o n   s t ra t eg y   o v er  s i n   p u l s w i d t h   m o d u l a t i o n   i n   t erms   o g o o d   u t i l i zat i o n   o d c - b u s   v o l t a g e,   l o w   c u rre n t   ri p p l an d   red u ced   s w i t c h i n g   freq u en c y .   Sp ace  v ect o p u l s w i d t h   mo d u l a t i o n   p r o v i d e s   ad v a n t a g es   b e t t er  fu n d am en t al   o u t p u t   v o l t a g an d   u s ef u l   i n   i mp r o v i n g   h armo n i p erf o rman ce  a n d   re d u c i n g   t o t al   h armo n i d i s t o rt i o n .   K e y w o r d s :   M ult i - leve c onve r ter s   N e utr a l - point - c lampe inver ter   S pa c e   ve c tor   puls e   width   modul a ti on   T hr e e - leve inver ter     Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Ar ka A.   Ka dum ,   De pa r tm e nt  of   E lec tr ica E nginee r ing   Unive r s it of   Ku f a ,   I r a q.   E mail:   a r ka na . doa be l@uof ku f a . e du. iq       1.   I NT RODU C T I ON     M ult il e ve inver ter   topol ogies   [ 1 ,   2]   ha ve   got   s pe c ial  a tt e nti on  du r ing  the   e a r li e r   two  de c a de s   due   to   their   s igni f ica nt   a dva ntage s   c ompar e to   the  c l a s s ica two  leve inver ter s .   As   c ompar e d   with   t wo - leve l   inver ter s ,   mul ti leve inver ter s   ha ve   mul ti ple   a dva ntage s ,   f or   e xa mpl e ,   low  ha r moni c s   in  output   volt a ge s   a nd   c ur r e nt,   les s   dv/dt ,   lowe r   powe r   los s e s   a c r os s   s w it c hing  de vice s ,   les s   c omm on  mode  vol tage s ,   a n higher   qua li ty  output   wa ve f or m   [ 3 - 7] .   T he r e f or e   a   ne f a mi ly  of   mul ti leve inver te r s   ha s   e mer ge a s   the  s olut ion  f or   dif f e r e nt  a ppli c a ti ons s uc a s ,   AC   powe r   s uppli e s ,   lar ge   powe r f ul  e ngine  dr iver s ,   t r a ns mi s s ion,   dis tr ibut ion   s ys tems   a nd  medium  volt a ge   gr id  [ 8 - 12] .   Dif f e r e nt  types   of   topol ogies   of   powe r   c onve r s io ha ve   be e pr opos e with  the  a im   of   im pr oving   the  tot a ha r moni c   dis tor ti on   ( T HD )   a nd  e f f icie nc y,   a nd  r e duc ing  the  c ompl e xit y   of   c ont r ol.   T he   mos known  a r e   c a s c a de H - br idge  ( C HB )   inver ter ,   f ly ing - c a pa c it or s   ( F C )   c onve r ter ,   pa c ke c e ll s ,   [ 13 - 16]   a nd   ne utr a point   c lampe ( NPC )   inver ter   [ 1 ] .   T his   pa pe r   us e s   the  NPC   topol ogy   be c a us e   it   ha s   the  a dva ntage s   s uc a s :   low  s witching  f r e que nc y,   DC - li nk  c a pa c it or s   a r e   c omm on   to   thr e e   pha s e s   a nd   r e a c ti ve   c ur r e nt   c a be   c ontr oll e [ 14] .   T he   diode - c lampe thr e e   leve ne utr a l - point   c lampe ( NPC )   topol ogy  ha s   be e the  mos Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    519  -   529   520   wide ly  us e one   a m ong  a ll   mul ti leve inver ter   top ologi e s   due   to  their   us e   of   a   unique  DC   s our c e   of   volt a ge   c ompar e with  the  C HB   inver te r s   a nd  higher   pe r f o r manc e   whe c ompar e to   the  F L   inver ter s   [ 17 ,   18 ] .     On  the  other   ha nd,   s e ve r a methods   of   modul a ti o tec hniques   ha ve   be e pr opos e f or   thi s   type   of   c onve r ter .     T he   mos known  tec hniques   a r e s e lec ti ve   ha r moni c   e li mi na ti on  puls e   width  modul a ti on   ( P W M ) ,   s inus oidal  P W M   with  a nd   without   ha r moni c   in j e c ti on s pa c e   ve c tor   modul a ti on ,   s igm a   de lt a   P W M ,   a nd  c los e loop  modul a ti on  tec hniques   e xis to  c ont r ol  the  inver te r   [ 19 - 22] .   Among  the   pos s ibl e   mul ti leve topol ogies ,   the  s ine  tr iangle   P W M   ( S P W M )   a nd  s p a c e   ve c tor   P W M   ( S VPWM )   a r e   pr oba bly   the  mos t   popular   modes   a nd  the  mos c omm on  P W M   ge ne r a ti on  t e c hniques   f or   thr e e - leve thr e e - pha s e   mul ti leve inver ter s .   T he   S VPWM   is   ba s ica ll divi de int two  c las s if ica ti ons the  ne a r e s thr e e   ve c tor s   ( NT V)   met hod  a nd    the  He xa gons   method.   T he   S VPWM   include s   th e   r e f e r e nc e   volt a g e   s pa c e   ve c tor   s ynthes is   f or   t he   NT V   a ppr oa c h,   by   s witching   be twe e the   ne a r e s thr e e   volt a ge   s pa c e   ve c tor s   [ 23 - 26] .   T he   output   volt a ge   ve c tor   is   s ynthes ize f or   the  he xa gon's   a ppr oa c us ing  a   me thod  s im il a r   to   the  t r a dit ional  two - leve l   c onve r ter .     T his   pa pe r   modeling   a nd  s im ulation   of   a   thr e e - leve NPC   inve r ter   ha ve   be e n   pe r f or med  with   S P W M   a nd  S VPWM   tec hniques   us ing  M AT L AB /S im uli nk  s of twa r e .   T he   r e s ult s   of   the   c ompr e he ns ive  c ompar is on  a r e   pr e s e nted  in  two  wa ys .   T his   pa pe r   will   be   divi de int s ix   s e c ti ons .   b r ief   r e view   of   the   thr e e   leve NPC   inver ter   is   p r ovided  in   s e c ti on  2.   S e c ti ons   de s c r ibes   the  thr e e   leve P W M   tec hniques .   T he   p r opos e   thr e e - leve s pa c e   volt a ge   ve c tor   a lg or it hm  ha s   given  in  s e c ti on  4.   S e c ti on  wil pe r f o r the   s im ulation   s uc c e s s iv e ly.   F inally,   a t   the  e nd   of   th is   pa pe r ,   a   ge ne r a c onc lus ion  is   given.       2.   T HRE E - L E VE L   DI OD E - CL AM P E I NV E RT E T OP OL OG Y   F igur e   1   s hows   the  thr e e - pha s e   thr e e - leve diode - c lampe inver ter   ( NPC )   topol ogy.   F r o F igur e   1 ,   e a c pha s e   of   the   inver ter   s ha r e the  DC - li nk  s up ply.   T he   c e nter   of   e a c pha s e   is   c onne c ted  to   the  c omm on  point   of   the  s e r ies   c a pa c it or s .   T he   inve r ter   is   f e e ding  a AC   a   thr e e - pha s e   load.   T h r e e - leve output   c ons is ti ng  of   leve ls   - Vdc ,   0,   +   Vdc   de pe nding   on  the  DC - bu s   volt a ge .   T a ble  s hows   the  f unc ti oning  pr inciple .   I or de r   to  obtain  the  de s ir e thr e e - leve volt a ge s ,   the  c onve r ter   mus e ns ur e   c ompl e menta r it ies   be twe e the  pa ir s   of   s witche s ( S i1 ,S i4 )   a nd   ( S i2 ,S i3 )   whe r e   'i'   is   the   pha s e   indi c a tor   ( =   a ,   b,   c ) ,   Vio   is   the  pha s e - to - f ictive  mi ddle  point   volt a ge .   T a ble  s hows   s witching  of   the  i - pha s e   in  F igur e   with   s witching  s tate s   a nd  c or r e s ponding  output   volt a ge   leve ls .           F igur e   1 .   T h r e e - pha s e   thr e e - leve NPC   inver ter   c ir c uit       T a ble  1 .   R e lations hip   be twe e s witching  de vice s   a nd  output   leve l   S w it c hi ng   S it ua ti ons   i - pha s e  of  N P C  i nve r te r   T e r mi na V ol ta ge   S i1   S i2   S i3   S i4   P   1   1   0   0   + V dc  / 2   O   0   1   1   0   0   N   0   0   1   1   - V dc  / 2       3.   T HRE E - L E VE L   P WM   T E CHNI QU E S   I many  a ppli c a ti ons ,   the  output   volt a ge   o f   t he   inver ter   is   of ten  r e qui r e to  va r due   to     the  f oll owing  r e a s ons   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         P W M   c ontr ol  tec hniques   for   thr e e   phas e   thr e e   lev e inve r ter   dr ive s   ( A r k an  A .   K adum)   521     T c ompens a te  the  input   volt a ge   va r iations .       T c ompens a te  f or   the  r e gulation   of   the  inver te r s .       F or   the  p r ovis ion  of   s pe c ial  loads   that  will   ne e va r iation  of   volt a ge   with   f r e que nc y.     3. 1.   S in u s oid al  p u ls e   wid t h   m od u lat ion   t e c h n iq u e     T he   p r inciple  o f   the   s inus oidal  c a r r ier - ba s e d   puls e   width  modul a ti on   ( S P W M )   tec hnique;     a   high - f r e que nc tr iangula r   c a r r ier   wa ve   V r   is   c ompar e with  a   s inus oidal  c ontr ol  s ignal  V c   a t   the  de s ir e f r e que nc y.   T he   int e r s e c ti on  of   V c   a nd  V wa ve s   de ter mi ne s   the  s witching  ins tant s   a nd  c omm uta ti on  of     the  m odulate puls e .   A   tr a ns it ion  in   P W M   wa ve f or is   ge ne r a ted   a e a c c ompar e   matc h   point .   W he n   s inus oidal  wa ve   ha s   magnitude  higher   than  the   tr i a ngular   wa ve   the   P W M   output   is   pos it ive   a nd   w h e V c   is   s maller   than   V r ,   the   output   is   ne ga ti ve .   T he   inver te r s   s witching   f r e que nc y   f s   e s tablis he s   by   the  f r e que nc of   tr iangle   wa ve f or m   V c T he   f unda menta f r e que nc c omponent  in   the   inver te r   outpu vo lt a ge   c a be   c ontr oll e by  a mpl i tude  modul a ti on   index;  we   de f i ne   the  modul a ti on  index  m i   a s   f oll ows     m i   =   V c   V r   ( 1)       whe r e   V c   a nd   V r   a r e   the   pe a va lues   of   the  m odulating  a nd  c a r r ier   wa ve s ,   r e s pe c ti ve ly.   T he   a mpl it ude   modul a ti on  index  m i   is   us ua ll y   a djus ted  by  va r yi ng  V c   while  ke e ping   V r   f ixed.   T he   f r e que nc mo dulation   index  is   de f ined  by :     m f   =   f r   /   f 1     ( 2)       whe r e ,   f 1   a nd  f r   a r e   the  f r e que nc ies   of   the   mod ulating  a nd  c a r r ier   wa ve s ,   r e s pe c ti ve ly.   T he   f un da menta l   c omponent  V o u t 1   of   the  ou tput   volt a ge   ha s   th e   pr ope r ty   a s   de picte in  e qua ti o n   be low  in   a   li ne a r     modul a ti on  r e gion:       V o u t 1   =   m i   *   V d   m i       1. 0     ( 3)       i n   ( 1 )   s hows   that   the   modul a ti on   index   a nd   a mpl it ude   of   the   f unda menta l   c omp one nt  of     the  output   volt a ge   va r ies   li ne a r ly.   T he   m i   va lue  v a r ied  f r om  z e r to  one i is   de f ined  a s   the  li ne a r   c ontr ol   r a nge   of   s inus oidal  c a r r ier   P W M .   T h r e e   leve l   pul s e   width  modul a ted   wa ve f or ms   c a be   ge ne r a ted   by   s ine  c a r r ier   P W M .   S ine  c a r r ier   P W M   is   ge ne r a ted  by  c ompar ing  the  thr e e   r e f e r e nc e   c ontr ol  s i gna ls   with  two  tr iangula r   c a r r ier   wa ve s   [ 6 12] .   T he   th r e e - leve s ine - P W M   inver ter   is   im p leme ntation  a s   a   two - leve inver ter   us ing   the  s a me   pr inciple.   He r e   s ine  c a r r ier   P W M   is   ge ne r a ted  by  c ompar ing  the  thr e e   r e f e r e nc e   c ontr ol  s ignals   with  two   tr iangula r   c a r r ier   wa ve s .   T he   c or r e s ponding  puls e s   a r e   ge ne r a ted   whic a r e   to   be   s uppli e to   the   inve r ter   ga te   de vice s .   T he   thr e e   r e f e r e nc e   c ontr ol  s ignals   a r e   p ha s e   s hif by  a a ngle  /3  a nd  /3  with  s a me  a mpl it ude .   T wo  c a r r ier   wa ve s   a r e   in   pha s e   e a c o ther   with   dc   volt a ge   of f s e t.   F or   thr e e - pha s e   S P W M ;      =  2     ( 4)     whe r e V p e a k   is   the  pe a va lue  of   the  f unda menta l   c omponent  of   the  pha s e - to - n e utr a volt a ge ,   v dc   is   the  DC   l ink  volt a ge .   F or   thr e e - pha s e   s pa c e - ve c tor   S VPWM ,   [ 13] .      =  3       ( 5)     F or   nor mal   s tea dy - s tate   ope r a ti on,   0   < m     1 .       3. 2.   S p ac e   ve c t or   p u ls e   wid t h   m od u la t ion     T he   ba s ic  pr inciple  o f   S VPWM   de pe nds   on  s ynt he s izing  the  ve c tor   of   r e f e r e nc e   volt a ge   by  ti me   a ve r a ging  of   the  two  ve c to r s   pr oduc e by  the  inve r ter .   T he   r e f e r e nc e   volt a ge   ve c tor   is   the  r e quir e c omm a nd  volt a ge   whic that  s hould  be   given  a s   r e qui r e to   the  a ppli c a ti on.   S pa c e   ve c tor   P W M   tec hnique  is   b a s e on   r otating  r e f e r e nc e   volt a ge   s pa c e   ve c tor   a ppr oxim a ti on.   T he   r otating   r e f e r e nc e   volt a ge   ve c tor   r e pr e s e nts     the  s pa ti a ve c tor   s um   of   the  th r e e - pha s e   volt a ge   in  the  α - β   s pa c e .   T he   a mpl it ude   o f   the   ve c tor   a nd  t he   pha s e   a ngle  of   the  thr e e - pha s e   c a be   de ter mi ne by  the  ins tanta ne ous   va lue s   of   the  volt a ge s .   I f   the  magnit ude s   a r e   s inus oidal  a nd  ba lanc e d,   the  ve c tor   it   will   r otate   r a pidl in  a   f ixed  a ngular   a nd  ha ve   a   c ons tant  a mpl it ude .   W he c ons ider ing  the   thr e e   pha s e   of   the   inver ter ,   ther e   a r e   27   s witching  s tate .   E a c of   thes e   s witchi ng  s tate s   c a be   r e pr e s e nted  a s   a   ve c tor   us ing  ( 6 ) :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    519  -   529   522     = +  = 2 3 ( 0 + 2 3 + 4 3 )     ( 6)     =  ( )       ( 7)     whe r e   V a , V b ,   V c   a r e   the  r e f e r e nc e   thr e e - pha s e   volt a ge s   a nd  V α   a nd  V β  a r e   the  c omponents   of   r e f e r e nc e   ve c tor   in  α - β   c oor dinate   s ys tem.   T hr ough  the   us e   C lar tr a ns f or mation,   the  a - b - c   thr e e - pha s e   c oor dinate   s ys tem  is   tr a ns f or med  to   2 - dim e nti ona α - β   f r a me  that  is   he l pf ul  i n   s e c tor   identif ica ti on   by  f o ll owing  e xpr e s s ion:     [ ] = 2 3 [ 1           1 2                     1 2   0             3 2                     3 2   ] [     ]   ( 8)     T he   27  output   vo lt a ge   ve c tor s   in  the  th r e e - leve VSI   a s   s hown  in  F igur e   2.   T he   s pa c e - ve c tor   diagr a s hown  in  F igur e   2   c ons is ts   of   majo r   tr iangula r   s e c tor s .   E a c majo r   s e c ti on  r e pr e s e nts   π /3  of     the  f unda menta c yc le.   T he r e   a r e   mi nor   tr iangul a r   s e c tor s   withi e a c major   s e c tor .   T he r e f or e ,   th e   tot a is   24  mi nor   s e c tor s   in  the  plane .   T he   volt a ge   ve c tor   is   r e pr e s e nted  by  the  ve r ti c e s   of   thes e   s e c tor s .   B a s e on     the  a mpl it ude   the  th r e e - leve inver ter   ve c tor s   a r e   d ivi de int lar ge ,   medium ,   s mall,   a nd  z e r o   ve c tor s ,   they  a r e   li s ted  a s   s hown  in  T a ble  2 .     As   c a be   s e e in  F igur e   2 ,   the  vol tage   ve c tor s   a r e   loca ted  a the  va r ious   poin ts   of   the   two  he xa gons   int e r lea ve a c c or ding  to   their   s witching.   T he   volt a ge   ve c tor s   of   gr oup   lar ge   volt a ge   ve c tor s ,   with   a mp li tudes   of   2V dc /3   a nd  loca ted  a t   the  c o r ne r s   of   the  oute r   he xa gon.   T he   medium  vo lt a ge   ve c tor   is   t he   vol tage   v e c tor   of   a mpl it ude   V dc /√ a nd  is   loca ted  a the  mi dpoint   of   the  outer   he xa gon.   S mall  g r oup  volt a ge   ve c tor s   with  a mpl it ude s   of   V dc /3  a nd   a r e   loca ted   a the   c or ne r s   of   the  inner   he xa gon.   W he the  r otating  vol tage   ve c tor   f a ll s   int a   c e r tain   s e c tor   in   a   thr e e - pha s e   thr e e - leve i nve r ter ,   a djac e nt  volt a ge   ve c tor s   a r e   s e lec ted  to   s ynthes ize   the  de s ir e r otating  volt a ge   ve c tor   ba s e on  the  pr i nc ipl e   of   ve c t or   s ynthes is ,   r e s ult ing  in  P W M   wa ve f or ms   in   thr e e - pha s e .   T he   s e c tor   in  whic Vo*  r e s ides   c a be   e xa mi ne by  e xa mi ning  the  pha s e   a ngle  a nd     the  magnitude  of   a   r otating   r e f e r e nc e   volt a ge   ve c to r   V*.           F igur e   2 .   S pa c e   volt a ge   ve c tor s   in  th r e e - leve inver ter       T a ble  2 .   Voltage   ve c tor s   a nd  s witching  s tate s   V e c to r  na me   ve c to r  c la s s if ic a ti on   Z e r o ve c to r   [ O O O ]  [ P P P ]  [ N N N ]     S ma ll  ve c to r   P - ty pe   N - ty pe   [ P P O ]  [ P O O ]   [ O N N ]  [ O N N ]   [ O P P ]  [ O P O ]   [ N O O ]  [ N N O ]   [ P O P ]   [ O O P ]   [ O N O ]  [ N O N   M e di um ve c to r   [ N P O ]  [ P O N ]   [ O P N ]   [ P N O ]  [ O N P ]   [ N O P ]   L a r ge  ve c to r   [ P P N ]  [ P N N ]  [ N P N ]   [ P N P ]  [ N N P ]  [ N P P ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         P W M   c ontr ol  tec hniques   for   thr e e   phas e   thr e e   lev e inve r ter   dr ive s   ( A r k an  A .   K adum)   523   4.   T HRE E - L E VE L   I NV E RT E RS  S P AC E   VOL T AGE   VE CT OR  AL GO RI T H M   As   s hown  in  F igur e   3,   the  pr im a r tas of   S VP W M   is   to  de ter mi ne ,   whic s e c tor   a nd  whic of     the  r e gion ,   then  de ter mi ne   the   c or r e s ponding  out put  s pa c e   volt a ge   ve c tor s .   T he   r e a li z a ti on   of   the   volt a ge   ve c tor   S VPWM   is   s ubs umed  int the  p r opos e S V P W M   tec hnique   f oll owing  s teps :     T r a ns f or mation  o f   3 - pha s e   to  2 - pha s e .     De ter mi ning  the  s e c tor   c ontaining   the  ti p   of   the  r e f e r e nc e   ve c tor .     De ter mi ne   the  r e gion   in  the   c or r e s ponding  s e c tor .       De duc ti on  of   opti mu s witching  s e que nc e .     Ge ne r a ti on  of   ga ti ng   s ignals   to  the  inve r ter   de vice s .     C a lcula ti ng  the  dur a ti on  o f   s witching  ve c tor s .   S tep  1:   Us ing  pa r k s   tr a ns f or mation   to   c a lcula te  V α , V β , V r e f   a nd  the  a ngle   ( θ)   ( 8 ).   S tep  2:  Af ter   c a lcula ti ng  θ ,   de te r mi ne   the  s e c tor   a c c or ding  to  V r e f   pos it ion  of   a s   s hown  in  T a ble  3   S tep  3 :   De ter m ine  the  r e gion   in  the   c or r e s ponding   s e c tor .   T he   r e f e r e nc e   volt a ge   ve c tor   c a be   f ound   in  s pa c e   ve c tor   diagr a in   a ny  r e gion  ( 1 - 4)   o f   a ny   s e c to r   ( 1 - 6)   a s   s hown  in  F ig ur e   2.     T e s ti mate   the   r e gion   in  s e c tor   1,   s pa c e   ve c tor   diagr a m   f o r   m 1   a nd  m 2   is   s hown  in   F ig ur e   3,   a nd   c or r e s pondi ng  s witching  logi c   is   given   in  T a ble  4.           ( a)       ( b)     F igur e   3.   S pa c e   ve c tor   diagr a f or   m 1   a nd  m 2   in  s e c tor   1       T a ble  3.   S e c tor   c a lcula ti on   ba s e on  the  loca ti on   o f   V re f   R a nge  of     ( de gr e e )   0 < 60   60 < 120   120 < 180   180 < 240   240 < 300   300 < 360   L oc a ti on of   V r e f   S e c to r  I   S e c to r  I I   S e c to r  I I I   S e c to r  I V   S e c to r  V   S e c to r  V I       1 = =   ( 2 3  ) co s ( 3 )     = (    3 ) = 2 3  ( 3 )       ( 9)     2 = = s i n   ( / 3 ) = 2 3    ( 10)     =  2  / 3     ( 11)       T a ble  4.   L ogic  us e to  f ind   the  r e gion  in   whic V r e f   is   loca ted   X 1   a nd X 2   P os it io n of  V r e f   X 1 , X 2   a nd ( X 1   +  X 2 )  <  0.5   R e gi on 1   X 2   >  0.5   R e gi on 2   X 1   >  0.5   R e gi on 3   X 1   an d   X 2   <  0.5 a nd   ( X 1   +   X 2 )  >  0.5   R e gi on 4       S tep   4 :   C a lcula ti on  o f   s witching  t im e .   De ter mi ne   t he   s witching  ti me  of   e a c s witch  a c r os s   a ll   the  r e gions .   T he   S VPWM   tec hnique  f or   thr e e - leve inver ter s   is   c a ll e " volt a ge - time   e qua li z a ti on     pr inciple  [ 10 ] .   F o r   e xa mpl e ,   c ons ider ing  that   the   r e f e r e nc e   ve c tor   Vr e f   is   loca ti ng   in   s e c tor   I   a nd  in   r e gion  2 ,   f or   th is   r e gion,   the  ne a r e s thr e e   volt a ge   s pa c e   ve c tor s   a r e   V1 ,   V7   a nd  V2   a r e   s hown  in   F i g ur e   4.   Onc e   the   ne a r e s t   thr e e   ve c tor s   ha ve   be e n   iden ti f ied ,   by   us ing  the  volt - s e c ond  ba lanc e   method,   the  on - ti me   c a lcula ti ons   of   the  c or r e s ponding  ve c tor s   c a be   d e ve loped  a s   the  f oll owing  e xpr e s s ion s .   W he the  volt a ge   in  the  s e c ond  s e c tor   is   e qua to  the   ti me  s ync hr oniza ti on  e qua ti on;  c a be   w r it ten  a s   in   (1 2 ).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    519  -   529   524    = 1 + 7 + 2                           ( 12)   = + +       whe r e   T s   is   the  s a mpl ing  ti me,   t a , t b   a nd  t c   a r e   s witching  on - ti mes   f or   the   V 1 ,   V   7   a nd  V   2   ve c tor s   r e s pe c ti ve ly.       1 =  3 0         2 =  3  / 3 =  2 3   = 1 2 + 3 2 3 6 + 1 2 3 3       7 =  3  / 6       B s olvi ng  the  e qua ti ons   a bove ,   the  on - ti me  o f   t he   c onc e r ne ve c tor s   c a be   c omput e by   [ 14] :     = 2                                            = 2  ( 3 + )       = 2  ( 3 )         = 2 3       whe r e ,   T s   is   the  s ys tem   s a mpl ing  c ontr ol  c yc le,   a nd  V re f ,   θ  is   the  a mpl it ude   a nd  a ngle  o f   the  r e f e r e nc e     volt a ge   ve c tor .           F igur e   4 .   S ynthes ize d   r e f e r e nc e   ve c tor   in   the  f i r s s e c tor       T he   on - ti mes   f o r   other   r e gions   in   the  f ir s t   s e c tor   e quil ibr iu m   ti me   e qua ti ons   c a be   c omput e d   by   us ing   s im il a r   pr oc e dur e   a s   e xpr e s s e in  T a ble  5.   T he s e   e qua ti ons   c a be   made   va li f or   other   s pa c e   ve c tor   diagr a withi the  s e c tor s   [ 18] .         T a ble  5 .   E qua ti on s   o f   s witching  ti mes   f or   s e c tor - 1   r e gi on   O n t im e   t a   t b   t c   1   2  ( 3 )   2  ( 3 + )   2     2   2     2  ( 3 + )   2  ( 3 )   3   2     2  ( 3 )   2 2  ( 3 + )   4   2 2  ( 3 + )   2     2  ( 3 )       S tep  5 I nve r ter 's   ga ti ng   s ignals   ge ne r a ti on   T he   ne xt  s tep  in   im pleme ntation   of   S VPWM   i s   the  s e lec ti on  of   the   r e dunda nt  s tate s   opti mal   s witching  s e que nc e   of   whic is   us e f ul  in  ba lanc ing  of   DC   li nk  volt a ge s ,   f a ult   to ler a nc e   a nd  s witching  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         P W M   c ontr ol  tec hniques   for   thr e e   phas e   thr e e   lev e inve r ter   dr ive s   ( A r k an  A .   K adum)   525   f r e que nc r e duc ti on  e tc .   T a ble   6   s hows   a ll   pos s ibl e   s witching  s e que nc e   f or   a ll   s e c tor   1   r e gions .   I th e   s e c ond  r e gion  of   the  f ir s s e c tor   o f   the  r e f e r e nc e   ve c tor ,   the  or de r   of   s witching  a nd  pha s e   thr e e - pha s e   s pir a of     the  thr e e - leve inver ter   a r e   s hown  in   F ig u r e   5.   Af ter   the  s witching  ti mes   ha ve   e laps e d,   V r e f   i whic h   a ppli c a ti on  of   volt a ge   s pa c e   ve c tor s   a c c or ding  to  s e c tor   a nd  r e gion   P W M   s ignals   s hould  be   ge ne r a ted.       T a ble  6 .   P os s ibl e   s witching  s e que nc e   f or   s e c tor   I   R e gi on   S w it c hi ng s e que nc e   R e gi on 1   PPO - P O O - OOO - OON - O N N  a nd s ymm e tr y   R e gi on 2   PPO - P O O - P O N - OON - O N N  a nd s ymm e tr y   R e gi on 3   P O O - P O N - P N N - O N N  a nd s ymm e tr y   R e gi on 4   PPO - PPN - P O N - O O N  a nd s ymm e tr y           F igur e   5 .   S witching   s ignals   f or   s e c tor - s e c ond  r e g ion       5.   S I M UL AT I ON  RE S UL T S   M AT L AB /S im uli nk  s of twa r e   is   us e to   s im ulate   t he   NPC   S VPWM   th r e e   pha s e   th r e e   leve inve r ter   s c he me  s hown  in  F ig ur e   6.   I pa r ti c ular ,   we   e mpl oye S - f unc ti ons   to  e na ble  li ne a r   pr ogr a ms   to  be   im pleme nted  in  S im uli nk   models .   I n   the  s im uli nk   model,   the  s im ulation   is   pe r f or med  unde r   the  pa r a mete r s   s hown  in  T a ble  7 .   T wo   P W M   tec hniques   f o r   c on tr oll ing   the  inve r ter   thr e e - pha s e   thr e e - leve NPC   s tr uc tur e   ha ve   be e s im ulate in  thi s   pa pe r   a s   a   c ompar a ti ve   s tudy.           F ig ur e   6 .   T he   s im uli nk  model   of   the  pr opos e th r e e - pha s e   thr e e -   leve diode  c lampe inver ter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    519  -   529   526   T a ble  7 .   T hr e e - pha s e   boos inver ter   pa r a mete r s   ( M AT L AB /m ode l)   I nput  D C  vol ta ge   400V   A C  l oa d pe r  pha s e   R e s is ta n c e   10Ω   I nduc ta nc e   1 m H   S w it c hi ng f r e que nc y   5x10 6   Hz   C a r r ie r  S ig na F r e que nc y   (2 - 10) K  H z   F unda me nt a F r e que nc y   50 H z       5. 1.   S im u lat io n s   r e s u lt s   u s in S P WM   t e c h n i q u e   F r om  the  s im ulation  model  in  F igur e   6 ,   the  outpu volt a ge s   a nd  pha s e   c ur r e nt  f r om   the  pr opos e d   inver ter   a r e   s hown  in  F igur e   7.   F igu r e   7   ( a )   s ho ws   the  s im ulate wa ve f or ms   of   the  thr e e - ph a s e   s our c e   volt a ge s   inver ter   output   li ne   to   li ne   volt a ge ,   pha s e   to  ne ut r a volt a ge ,   a nd   pha s e   c ur r e nt   wa ve f or ms   f or   R L   load.   T he   c or r e s ponding  ha r mon ic  s pe c tr um  is   s ho wn  in  F ig u r e   7   ( b) .             ( a )     ( b)     F igur e   7 .   ( a )   Output   li ne - to - li ne   volt a ge ,   li ne - ne utr a volt a ge   a nd  pha s e   c ur r e nt   f or   thr e e   pha s e   th r e e   l e ve inver ter   by   S P W M   a lgor it hm .   ( b)   L ine - to - li ne   volt a ge ,   li ne - ne utr a volt a ge   a nd  pha s e   c ur r e nt   F F T       T a ble  8 .   % T HD   output   vo lt a ge s   a nd  pha s e   c ur r e nt   of   F ig ur e   7     L L   V ol ta ge   N L   V ol ta ge   P ha s e  c ur r e nt   F unda me nt a ( 50H z )  V a lu e   329.3V   190.6 V   19.4A   T H D   35.60%   35.60%   12.93       5. 2.   S im u lat io n s   r e s u lt s   u s in S V P WM   t e c h n i q u e   T he   S VPWM   s im uli nk   s ys tem  model  is   the  s a me  a s   that  of   the   S P W M   s ys tem  e xc e pt  f or     the  modul a ti ng  wa ve f o r volt a ge s ,   whic a r e   ge ne r a ted  by  pr opos e a lgo r it hm   e xplaine in   s e c ti on  3. 2 .   o f   the  pr opos e inver ter F igur e   8   ( a )   s hows   the  volt a ge   a nd  c ur r e nt  wa ve f or ms   obtaine by  c ontr ol li ng  the  thr e e   leve S VPWM   inver ter ,   the  ha r mon ic  s pe c tr um   of   the  s our c e   c ur r e nt   a f ter   c ompens a ti on  is   s hown  in    F ig ur e   8   ( b ) .   F r om  the  s im ulation  r e s ult ,   it   c a obs e r ve that  th e   S P W M   tec hnique  ha s   tot a ha r moni c   dis tor ti on  of   li ne   volt a ge   ( T HD )   is   35 . 60%   a nd   the  a mpl it u de   of   the   f i r s ha r mony   a s   329 . 3.   I n   a ddit ion,   the   T HD   of       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         P W M   c ontr ol  tec hniques   for   thr e e   phas e   thr e e   lev e inve r ter   dr ive s   ( A r k an  A .   K adum)   527   the  pha s e   c ur r e nt   is   12. 93 % ,   the   a mpl it ude   of   th e   f i r s ha r moni c   19 . 4   A.   W he r e   the  ou tput   li ne   v olt a ge   of       the  inver ter   s witche by  S VPWM ,   the  T HD   is   28. 25%   a nd   the  a mpl it ude   of   the  f ir s ha r moni c   is   5 67. 7   V;     the  T HD   o f   the  pha s e   c ur r e nt  is   3 . 66% ,   a nd  the   a m pli tude  of   the  f i r s ha r moni c   is   178   A.             ( a )     ( b)     F igur e   8 .   ( a )   Output   li ne - to - li ne   volt a ge ,   li ne - ne utr a volt a ge   a nd  pha s e   c ur r e nt   f or   thr e e   pha s e   th r e e   l e ve inver ter   by   S P W M   a lgor it hm .   ( b)   li ne - to - li ne   volt a ge ,   li ne - ne utr a volt a ge   a nd   pha s e   c ur r e nt  F F T       T a ble  9 .   % T HD   output   vo lt a ge s   a nd  pha s e   c ur r e nt  of   F ig ur e   8     L L   V ol ta ge   N L   V ol ta ge   P ha s e  c ur r e nt   F unda me nt a ( 50H z )  V a lu e   382.5   V   221.8 V   22.19   A   T H D   28.77%   28.80%   11.8       5. 3.   Com p ar is on   of   S P WM   &   S V P WM   I n ve r t e r s   T he   pe r f or manc e   of   S pa c e   Ve c tor   P uls e   W idt h   M odulation  is   c ompar e a ga ins P uls e   W idt M odulation  method  f or   thr e e - leve inver ter .   T he   c ompar is on  is   done   on  the  ba s is   of   s im ulation  r e s ul ts   a nd  it   is   with  r e s pe c to  ha r mon ic  c ontent   with   wi de   r a nge   o f   c a r r ier   f r e que nc y   a nd  modul a ti o index.     T he   pe r f o r manc e   of   S P W M   a nd  S VPWM   th r e e - leve inver ter s   f or   s im ulate r e s ult s   with   r e s pe c to  pe r c e ntage   tot a ha r moni c   dis tor ti on   of   li ne   to   li ne   volt a ge   ove r   a   wide   r a nge   of   c ur r ier   f r e que nc y   is   s hown  in   F igur e   9.   I is   obs e r ve the  pe r c e ntage   tot a ha r mo nic  dis tor ti on  of   li ne   to  li ne   volt a ge   im p r ove s   f o r   S VPWM   inver ter   a s   c ompar e to  S P W M   inver ter .    T he   tw P W M   tec hniques   with  thr e e - leve inver ter   a r e   s im ulate f or   dif f e r e nt  modul a ti on  indi c e s   a a   c ons tant  s witching  f r e que nc of   3000Hz .   F igu r e   10  r e s ult s   s how    the   pe r f or manc e   c ur ve   f or   modul a ti on  index   vs   T otal  Ha r moni c   Dis tor ti on .   Ac c or ding  to  F igu r e   10 ,   it s   note   that  the   incr e a s ing  o f   the  modul a ti on   index  f or   t hr e e - leve S VPWM   c a a c hieve   les s   ha r moni c   d is tor ti on  c ompar e to  S P W M .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 :    519  -   529   528         ( a )   ( b)     F igur e   9.   ( a )   P e r c e nt   T HD   o f   V LL   Vs   F t ri   f or   S VP W M   a nd  S P W M   i nve r ter ,     ( b )   P e r c e nt  T HD   of   pha s e   C ur r e nt  Vs   F t ri   f o r   S V P W M   a nd  S P W M   i nve r ter             ( a )     ( b)     F igur e   10.   ( a )   P e r c e nt   T HD   o f   V LL   Vs   modul a ti on  index  f or   S VPWM   a nd  S P W M   I nve r ter ,     ( b )   P e r c e nt  T HD   of   pha s e   C ur r e nt   Vs   modul a ti on  i nde f or   S VPWM   a nd  S P W M   I nve r ter       6.   CONC L USI ON     I th is   pa pe r ,   a   s pa c e   ve c tor   ba s e S V P W M   s c he me  is   c ompa r e with   s ine - tr iangle   S P W M   s c he me  f or   a   NPC   th r e e - leve inver ter .     T he   modeling  a n s im ulation  o f   the   thr e e   pha s e   thr e e   leve l   diode - c lampe inver ter   is   done   us ing  the  M AT L AB /S im uli nk  pr ogr a m.   F r o t he   r e s ult s   it   is   obs e r ve that  the  s pa c e   ve c tor   puls e   width  modul a ti on   tec hnique   is   be tt e r   pe r f or manc e   than   c las s ica c onve nti ona method   ( S P W M ) .     T he   s pa c e   ve c tor   puls e   width   modul a ti on  t e c hnique  pr oduc e s   f e we r   ha r moni c s   a s   c om pa r e to     the  c onve nti ona P W M   method.   T he   s inus oidal  pul s e   width  modul a ti on  ( S P W M )   gives   a   va lue  of   0. 6 12  *Vdc   howe ve r   the   s pa c e   ve c tor   method   s hows   that   th e   maximum   output   obtaine d   is   0 . 707   Vdc   whic is   15 %   higher   than  S P W M .   T he   tot a ha r moni c   dis tor ti o ( T HD )   of   the  output   wa ve f or is   r e duc e by  47%   than     the  s inus oidal  P W M .   F r om   the   r e s ult s   it   is   c lea r   t ha t,   S VPWM   ga ve   les s   c ur r e nt   r ippl e ,   a nd   les s   T HD   than  the  S P W M   modul a ti on   s c he me.   S pa c e   ve c tor   pu l s e   width  modul a ti on   ( S VPWM )   tec hnique  s howe be tt e r   pe r f or manc e   with  r e duc e T HD   be twe e 0. 55  a nd   0. 75  of   modul a ti on   index .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.