Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 4 ,  A ugu st  2016 , pp . 13 95 ~ 1 405  I S SN : 208 8-8 7 0 8 ,  D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 4.8 793          1 395     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Comparison of Voltage Vector  Control Based on Duty Cycl e  Analysis in Three Phase Four Le g System  of  Active Filt er       I n d r ia rt o Yu nia n to ro 1,2 , Ru dy  Seti abud y 1 ,   Ridw a n  G u n a w a n 1  1  Department of   Electrical Eng i n eering ,  Faculty   o f  Engin eering ,  Universitas Indon esia, Depok, Ind onesia   2  Department of   Electrical Eng i n eering ,  Faculty   o f  Industrial  Tech nolog y ,  Univ ersity  of  Trisak ti, Jakarta, Indon esia      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Aug 13, 2015  Rev i sed  D ec 10 , 20 15  Accepted Dec 26, 2015      Comparison of  voltag e  vector  control in variou s forms of tetrahedron that  result from swit ching combination on three-phase four-leg s y stem of  activ e  filte r is present e d especi all y   a s y m m e tric te tra h edron shape which is a  projection pqr- c oordinate in to  αβ 0-coordinate. Paramete r  t e trah e d rons  s u ch  as modulation b oundar y -lin e, r e ferenc e vector , switching dur atio n time and   duty  cy cl e a r e desc ri be d. Duty  cyc l e   a n al y s is con ducted on  th e Shen’s model,  the Zhang’s model, th e Perales’s  model and as y mmetric’s model are  pres ented .  Th e  chara c t e ris t i c  re s u lts  s howed th at s w itch i ng  co m b ination of   each IGBT cond uctor es pec i al l y   its  review on the neutra l wire.  As y m m e tri c   tetr ahedron can  be proposed as contro l technique in thr ee-ph ase four-leg   s y stem   of ac tive  filte r.   Keyword:  Asymmetric Tetrah ed ro n  Duty Cycle  Mo du latio n Bou n d a ry-lin e    Refere nce Vec t or   Vol t a ge  Vect or   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond i ng  Autho r :  In dri a rt o Y uni ant o ro ,   Depa rt m e nt  of  El ect ri cal  Engi neeri n g ,  Fac u l t y  of  En gi nee r i n g .   Uni v ersitas Indone sia,   Kam pus  U I  De po k 1 6 4 2 4 , I n d one si a.      Em a il: in d y _ s in gn et@yah oo .co m       1.   INTRODUCTION  Th ree-p h a se syste m  activ e filter to po log y   has evo l v e d  from   th ree-p h a se th ree-wire  b e co m e s  th ree- pha se four-wire and the n  three-phase four-leg .   In  three-ph ase fou r -wire syst e m  o f  acti v e filter, th e  fo urth- wire  form s a neutral  wire  which is connecte d  to m i ddle place in c o uples of split  capacitors. Meanwhi l e, in  three-phase four-leg system   the fourth-wire  as a ne utral wi re is conn ecte d  to middle plac e in a pair  of  IGBT  co ndu ctor .  Step s i n  cu rr en t co m p en satio n co n t r o l  on  t h r e e - phase  four-wi r e system  re sem b le as on three-phase   t h ree- wi re sy st em . C ont rol  o f  t h e com p ensat i on cu rre nt  i s  do ne by  ad j u st i ng v o l t a ge -ve c t o r ei t h er  on t h ree - p h a se fou r -wire syste m  o r  th ree-ph ase  fo ur-leg syst em  a c tiv e filter. Vo ltag e -v ector i s  th ree-d i m e n s io n a l   space-vector  where t h e vect or  resulting of on-off switching   com b ination si gnal from  pa ir of  IGBT c o nductor.  In  sp ite o f   d i fferen t to po logy,  b o t h  activ e filter h a v e  same tech n i q u e . Sw itch i ng  com b in atio n  o n   th ree- dim e nsional space-vector m odulati on (SVM)  has produce sixtee n pieces  of voltage-vector [1], [2] .   Mo du latio n   p a ram e ters su ch   as referen ce  v e cto r ,  du ty cycl e, pu lse p a ttern , to tal h a rm o n i cs d i stortion   (THD)  and  di st ort i on  fact or ( D F )   can be  det e r m i n ed by  si xt eent h   of v o l t a ge- v ect o r  i n  t h ree- di m e nsional   o f   tetrah edron   sh ap e an d th en   v o l tag e -v ector con t ro l on  t h ree-p h a se activ e  filter is regu lated b y  all of t h em .    In th e  Sh en’s  Mo d e l  [1 ], resu ltin g of si x t een th   switch i n g  co m b in atio n s  in  t h ree-ph ase fo ur-wi r e  activ e filter can  b e   d e scrib e d   b y  th e inv a riant Clark ’ s tran sfo r m a tio n .  Three d i m e n s io n a l p o s ition   o f   v o l tag e - vector located in  αβ 0-c o or di nat e s  co nsi s t e d o f  t w o  poi nt  of ze ro  swi t c hi n g  vect or  (Z SV)  p o si t i on a t  t h e  ori g i n al  co or di nat e  an d fo u r t een p o i n t s  o f    no n-ze ro s w i t c hi n g  vect ors  (NZ S V )  at  an ot he r. T h e fo u r t eent h   poi nt s o f  N Z S V  can  be cl ass i fi ed i n t o   si x- p r i s m s  cons ists th e to p-b o tto m  o f  tetrah ed ro ns. I t  sh ow s  f our teen - pos si bl e p o si t i ons  v o l t a ge -ve c t o r as  refe re n ces i n  t h e  b o u nda ry  o f  eac h  t e t r ahed r o n .   Sh oul d be  n o t e d, t h e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016   :   13 95  –  1 405  1 396 coo r di nat e  t r ansf orm a t i on i s  obt ai ne d fr o m  t h e i nvari an t  C l ark’s t r ans f o r m a ti on w h i c h pr o duce m a xi m u m   m odul at i on b o u n d a r y - l i n e on   αβ 0-c o o r di nat e   are 0. 8 2  Vdc .   In  t h e  Zha n g ’ s m odel  [ 2 ] ,  co or di nat e  t r ans f orm a t i on base d  o n  t h e  no n - i n vari ant  C l ar k’s   t r ans f o r m a ti on  i s  used t o   pr od uce si xt ee nt h swi t c hi ng c o m b i n at i on p o s i t i ons at   αβγ -coordinates in three- pha se four-leg power converte r (active filter). It de scribe s in one s ector whic h has four tetrahedron of each  voltage -vector occ upies t h re e-dim e ns ional  space-vector s o  in  overall t h ey ha ve twe n ty-four tetra h edrons.  R e fere nce- vect ors  of t e t r a h ed r ons a r e   c o m b ination of three  pieces of voltage -vect or  neares t neighbors .  It can  be seen  from  the non-inva r iant Cl ark’s transform a tion that  m a xim u m   m o dulation boundary-line according to  t h e Z h an g’ s m odel  a r e e q ual   0. 67  V d c.     W i t h ou t do ing Clark ’ s tran sfo r m a tio n ,  in  th e Perales’s m o d e l [3 ] switch i n g  co m b in atio n  o f   o n -off  p a ir  o f  IGBT con d u c t o r i n  th ree- ph ase fo ur-wire of  activ e filter  p r o d u ces six t een t h   vo ltag e -v ecto r as  refe rence - v ect or l i k e t h e  Sh en’s  m odel  an d t h e  Zha n g’s  m odel .  V o l t a ge- v ect o r s i n   abc-c o or di nat e s o f  t h e   Peral e s’s m o d e l  whi c h i s  di r ect l y   m a pped i n  t h ree - di m e nsi onal  space - v e c t o r p r od uce a  do deca hed r o n  shape   wi t h  a si de l e ngt h as  m a xi m u m   m odul at i on  bo u nda ry -l i n e are 1 V d c .  From  si xt eent h  com b i n at i ons  of  vol t a ge - v ect o r s i t  can be  m a de t w e n t y -f o u r  regi on  p o i n t e r s  (t et rahe d r o n s )  as  refe rence - vect o r s  whi c h  m a ke  descri ption three pieces  of volta ge-vect or ne arest nei g hbors .    Thi s  pa pe r ai m s   t o  creat e a new  m odel  of  v o l t a ge- v ec t o r  based  o n  t h e Ki m - Aka g i ’ s m a ppi n g   matrices  m o d e l (pq r-p ower th eory)   doing  for com p ensati on curre nt c o ntrol s p ace  vect or m odulation  (SVM ),  i t  can be  use d  t o   harm oni cs  el im i n at i on [ 4 ] , [ 5 ] .  C u rre nt  C o m p ensat i o n c ont rol  i n  t h ree - p h ase  f o u r - w i r e   syste m  o f  active filter is exp l ain e d   b y  th e  pq r-po wer t h eory. Rein terpretatio n of  p q r-coo rd in ate  fro m   m a p p i n g   m a t r i ces  m odel  by  t h e Eul e r angl e r o t a t i on  m e t hod i s  t u r n ed o u t ,  an d i t  pro d u ces i n  a di ffe rent  way  w h en i t  i s   com p ared from its  orig in al t h eory. In  th e  Kim - Ak ag i’s map p i ng  m a tri ces  m o d e l, pq r-coo r d i n a te is  id en tical  to dqn-c oordinate whe n  t h e  n-axes  coi n cide s on the  0- a x es , wherea s in the Euler angle rotation m e thod pqr- co ord i n a te is  g e n e rated from   twice ro tatio n [6 ]. Proj ect io n   o f  pqr-co o rd i n ate in to  αβ 0-c o or di at e p r o d u ce s   t w ent y -f o u r  of  asym m e t r i c  vol t a ge - v ect o r  i n  t h ree - di m e nsi o nal  space - v ect o r . T h e m a xi m u m   m odul at i on  bounda ry-line  according t o  the Euler an gle  rotation m e thod is equal  0.5  Vdc.       2.   MO DUL ATI O N B O U N D A R Y - LINE  IN   THR EE-PHASE SYSTEM  ACTIVE FIL TER  Int e r s ect i o n  o f  a re fere nce s i gnal   fr om  sources  w h i c h  i s  de ri ve d a n y  si gnal  t h at  d o es  not   ha v e   peri odic si gnal  but  has a n y a m plitude there  will be pr oducing asym m e tric  m odula tion.  Square wa ve pulse  wi dt h   m odul at i on (P WM ) si g n al   w h i c h has a  resul t  of  t h i s  i n t e rsect i o n  i n  t h e  i n t e r v al   ( 0 - π  / 2 ) ,  ( π  / 2- π ), ( π - 3 π  / 2), and   (3 π  / 2 - 2 π ),  it  also has random  and diffe re nt from   each  other of duty  cycle.   Any  si gnal can be   ei t h er t o t a l  ha rm oni cs or  di sor d e r  si g n al .  Asy m m e t r i c   m odel  i n  t h i s   m odul at i o n c a n be  res u l t e d  fr o m   pr o j ect i on  of t h e p q r - co or di n a t e  of vol t a ge - v ect o r  of t h e  Eul e r an gl e ro t a t i on  m e t hod  i n t o   αβ 0-c o or d i nat e .   Fo uri e r a n al y s i s  can n o t  be p e rf orm e d beca use o f  t h e res u l t i ng sq uare si gnal  i s  n o t  per i odi cal l y . To k eep i n   separat ec  fo rm ul at i ons , i t  i s  needed t o  pe rf or m  a dut y   cycle  analysis. Carri er-base d  and hysteresis  m odulation  i s  di f f ere n t  f r o m  asymm e t r i c  m odul at i on.     The following step of  duty cycle  analysis in space-vect or m odul ation (SVM ) has  done through  measurem ent such as  followi ng [7]:    Determ in e th e  switch i ng  co mb in ation ,       Ind e n tify  th e vo ltag e -v ector po sitio n s ,     Inde ntify  the refere nce vector,     Determ in e th e  switch i ng  tim e  du ration ,     Calculate duty  cycle,     Determ in e th e  p u l se p a ttern ,    Th ree-p h a se t h ree-wire system activ e filter  h a s a cap acit o r in  DC-link  voltag e  th at is eq u a l 1   Vd c.  The m a xim u m   m odul at i on b o u n d a r y - l i m i t perm i ssi bl e  i s  equal  t o  DC -l i n k v o l t a ge. R e fe rence ve ct or a n d d u t y   cycle are determined by dra w ing a pe rpe n dicular line as the resultant bet w een  two pieces  of voltage vector  i n   line of the  circ le. Pythagoras  form ula can be  det e rm i n ed t h e refe re nce  ve ct or l e ngt h i s   √ 3 / 2  = 0,87   V d c .  It  can be co ncl u d e d t h at  val u e o f  refe rence  vec t or bet w een  0. 87  Vdc - 1  V d c  i s   m odul at i on bo u nda ry -l i n e  whi c h   i s  a for b i d de n  zone  wi t h i n  t h e l i m i t s  of t h e Qua n g’s m odel  [8] .  T h e P e ral e s’s m odul at i on b o u n d a r y - l i n e  d e scri p tio n is l i k e  th e  Qu ang’s m o d e l.    Th ree-p h a se  fo ur-wire system an d  fou r -leg  syste m  o f  activ e filter is  d e v e l o p e d  b y   Sh en  [1 ] an d   Zh an g   [2 ] wh i c h  is ob tain ed   v o ltag e   v ector  th at h a s a v a l u e s m aller th an  allo wab l e m o du latio n   b oun d a ry-lin e  of  t h ree - phase   t h ree- wi re  sy st em  t h at  i s  eq ua l  0. 82  V d c a n d  0. 67  V d c l i k e  s h o w n i n  Fi g u r e  1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       C o m p a r i s o n   of  Vol t a ge V ect o r  C o nt rol  B a se d  on  D u t y  C ycl e An al ysi s  i n  T h ree  ... . ( I ndri a rt o Y uni a n t o r o )   1 397     Fig u re 1 .   Modu latio n  bo und ary-lin e  in  three-ph ase  syste m s of activ e  filter       2. 1.   Co ordi n a te T r ans f or ma ti o n  M o del   Using  th ree-ph ase fo ur-leg syste m  o f  activ e filter, Sh en  [1 ] exp l ain e d  th e inv a rian t Clark ’ s  t r ans f o r m a ti on  coo r di nat e  sy st em  i n  w h i c h  va ri abl e s a r e c o n v ert e d  by  f o l l o wi n g  e quat i o n:       (1 )     The si xt een  p o ssi bl e c o m b i n at i ons ca n  be  di vi de d i n t o  t w o  vect or  swi t c hi ng  w h i c h   has  a l e n g t h  i s   equal   0. 82  V d c. I n   dat a  p r oces si n g , co n t rol  vect or -spa ce i s  necessar y  for a c o n v e nt i onal  t h ree- pha s e   con v e r ter  req u i r es the  re fere n ce vecto r .     Usi n g t h e sa m e  form ul at i on base d o n   coo r di nat e  t r a n sf orm a t i on (t he n o n - i n vari ant  C l ark’s  tran sform a t i o n ), if th e ta bl e t r ansf o r m a ti on i s   m a de i n t o  ab c-co or di nat e  t o   αβ 0 - coord i n a te lik e Sh en  [1 ], th an  a com b ination  of switchi ng  from  each voltage vector  pr oduce sixteen poss ible.            (2)     Zha n g  [ 2 ]  al so  pr o duce  1 6  s w i t chi n g  com b i n at i on  on - o f f   pa i r  o f   IGB T  co n duct o r -  a,  b ,  c  and  ne ut ral .       2. 2.   Co ordin a te R o t a ti on Me th o d    R o t a t i on m e t hod  of E u l e r a n gl e can be  d o n e  wi t h  a cont i n uo us c o n f i g ura t i on ei t h er t w o  or m o re t h e  C a rt esi a n’s  co or di nat e .  R o t a t i on R  ( θ 1 ,  θ 2 ,  θ 3 ) is a relation   wh ich  is  don e to  m ove th e stationa ry  re fere nce   fram e  to ward s  th e ro tatin g referen c e fram e.    In m a th e m a tic al n o t ation ,  th e Eu ler ang l es  ro tatio n  m e th od can   b e   d e term i n ed as  fo llows;     R ( θ 1 , θ 2 , θ 3 ) =   R x ( θ 3 ) R y ( θ 2 ) R z ( θ 1 )  =                  ( 3 )     Whe r e i n   0<  θ 1 ,  θ 2 <2 π  da n 0 < θ 3 < π .   Pri n ci pl e o f  t h e Eul e r  a ngl e  rot a t i o n m e t hod ca n  be  use d  t o   rei n t e r p ret a t i on  of  t h e  K i m - Aka g i ’ s   map p i ng  m a trices  m o d e l in  so lv ing  prob lem s  wh ich  is re lated  to  p q r -coo rd in ate in  [4 ],[5 ].  Mu ltip licatio n  o f   twice ro tation   in   θ 1 ,  θ 2  ang l e is th e sam e   i n  pr odu cing  fo r m u l at i on as  t h e Ki m - Aka g i ’ s m a ppi ng m a t r i ces  m o d e l as fo ll ows:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016   :   13 95  –  1 405  1 398      =   (4 )     Here  in  X  i, v  ( c ur rent  o r  vol t a ge) .   E quat i on  4  ca n be descri bed   i n  st eps su ch  as   Fi g u re   2  and   Fi g u r e 3  f o r  each of  the Eul e r  a ngle rotation.          Fi gu re  2.  C h a n ge a  fi rst   of  an gl e p r od uci n g  r o t a t i on i n  t h e  h o ri z ont al   pl ane           Fi gu re  3.  C h a n ge t h e  sec o n d   of  an gl e  pr od u c i ng  r o t a t i on i n  t h e  vert i cal  pl ane       2. 3.   Asymmetric T e trahedr o n  Shape   Ro tatio n  m e th o d  of two   or t h ree Eu ler an gle b eco m e s more  like a s p iral sha p e tha n   a cylindrical   sh ap e. A sp iral sh ap e will b e  easily  an alyzed  wh en  it  is c o n s i d ered  as a sk ewed  v ector. Three-d i m e n s io n a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       C o m p a r i s o n   of  Vol t a ge V ect o r  C o nt rol  B a se d  on  D u t y  C ycl e An al ysi s  i n  T h ree  ... . ( I ndri a rt o Y uni a n t o r o )   1 399 space  vector in three - phase  four-leg sy stem  of acti v e filter  for this is a  cy lindrical coordinate  (sha pe)  with six  prism  such as  Figure  4a,  whi l e based  on E u ler angle  rotation m e thod this  result form s a  stack of two  pieces   hexa g onal  as  skew ed  vect o r  suc h  as Fi g u r e 4 b ,  4c. R o t a t i on m e t hod  of t w o a n gl es Eul e r  pr o duc es p q r - coo r di nat e  i f  i t  i s  do ne t h e  pr o j ect i o n  i n  a  h o ri zo nt al  pl a n e ( s l i d i n g si d e ) o b t a i n i ng  n e w c o o r di nat e s d q r - coo r di nat e  suc h  as fi gu re- 4 b  and  pr o j ect i o n  i n  a vert i cal  pl ane (sl i d i ng  o b l i que)  o b t a i n i n g  αβ r - co or di na t e  such   as Figure -4c.          Fi gu re  4.  p q r - c o o r di nat e   pr o j e c t i on i s   pr o duc e;  (a) a  cy l i n d r i cal  coo r di nat e ;  ( b )  d q r - co o r di nat e ;  (c)   αβ r- coo r di nat e       Two hexa gona l stacked with a shif t at a cen tral point where the he xa go na l  of t h e t op an d t h e b o t t o m   are  not ce ntral i zed, it ca n  be  conside r ed as  a s k ewe d   vect or . T h e ce nt er  part   of  t h e  co m posi t i on o f  t h e t w o   hexa gonal sha p es  el ongated hexa gonal  with two-piece ce nter  point,  na mely  state-(1,1,1,1) an d state-(0,0,0,0)  whic h does  not coincide  with each  othe r.  Overall, three-di mensional s p a ce  vector ca n  be parse d  int o   twelve- p a irs of asymmetric te trah ed ron .   Asymmetric tetrah ed ro n  sh ape b e t w een eac h ot her  of t e t r ahe d r o n i s   in d i cates h a r m o n i cs occur r e nce o n  vo ltag e   v ector  in  w h ich  h a s go t 0 . 5   V d c. H e x a gonal p iles w h ich  f o r m s an   asym m e t r i c  t e trahe d r o n pai r   whe n  a r e m a pped i n  a t w o- d i m e nsi onal  h o r i zont al  pl a n e ( v i e we d f r om  the t o p)   can  b e  ob tain ed  coo r d i n a te po in ts wh ich  is th e p o s ition  voltag e  v ecto r  in  αβ 0 - coor d i n a tes su ch  as Figu r e   5a  and  f r om  vert i cal  pl ane  ( v i e w e d  fr om  t h e si d e ) as  sh ow n  f o l l o wi n g  i n  Fi gu re  5b .           Fig u re  5 .  Asy mme tric tetrahed ron  in  αβ 0-co ord i n a te; (a)  View  fro m  th e t o p   (h orizon tal); (b ) View from   th e  side (ve r tical)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016   :   13 95  –  1 405  1 400 Each  of t h ese  coo r di nat e  can  be m a pped i n   fo ur - p ai r com b i n at i on  of  IGB T  and  ge nerat e s a vol t a g e   vect o r  i n  spac e of t e t r ahe d r o n.  Si xt eent h  com b i n at i on pai r  of I G B T  co n duct o r ca n be  descri bed i n  t w ent y - fo ur c o o r di nat e s of a pi l e  of  reg u l a rl y  hex a go nal ,  w h i c h   m eans t h ey  have t w ent y - f o u r  or t w el ve - p ai rs o f   asymm e tric tetrahe d ron. The  twenty -fourth coordinates c a n  be dec o m pose d  into each of tetrahe d ron with  separate d cent e r point,  where  are they  both in  state-(1,1 ,1,1) a nd i n  state- (0,0,0,0). Base d on  fi gure-5b, each  sid e d of  p r ism  with  a leng th   of “ a ”  i s   e q ual  0. 5 Vdc   f o r  up si de part  of   as ym m e t r i c   t e t r ahed r o n   an d - 0 . 5  Vdc   for  d o wn sid e   part of asymm e t r ic tetrah ed ron. Tab l e-1  will b e  g i v e n  p o sitio n  of  tw en ty-fo urth vo ltag e   v ector  as a resu lt of a sw itch i ng  com b in atio n  p a ir o f  IG BT condu ctor on  th ree-p h a se syste m   activ e filter.   Twenty- fo urt h  v o l t a ge  vect or ca n  b e  descri bed as  an asy m m e tr ical tetrah ed ron  p a ir. A  s k e w ed vector  ac tually  resem b les th e Perales’s m o del wh en  d e termin in g  vo ltage v ecto r   u s ed  to  ab c-coo r d i nate. In  th is case, th e  d i fferen ce of state-(1 ,1 ,1 ,1) an d  state-(0 ,0 ,0 ,0 )  d o e s no t co i n cid e   with  each  o t h e r at  o n e   p o s ition .   Peral e s [3 ]  get  t w ent y -f o u r  vol t a g e  vect ors  wi t h o u t  C l arke t r a n sf o r m a t i on. I n  space  vect or m odul at i on (S VM )  C l ark’s  tran sform a t i o n   is u s ed  to ob tain   v o ltag e  v e ctor.        Tabl e 1. V o l t a ge vect o r  on   t h e  ske w e d  vect o r   m odel   (a= 0 . 5   V d c)   Voltage  Vector   Va   (Vd c )   V/a   (Vd c )   V/a   (Vd c )   Voltage  Vector   V/a   (Vd c )   V/a   (Vd c )   V/a   (Vd c )   V 0  0 0  0 V 12  0  -   0  V 1  0  0  - 1 /2  V 13  ¼  -   0  V 2  0  0  ½  V 14  -1 /4   -   ½  V 3  -1 /4   -   -1 /2  V 15  -1 /4   -   0  V 4  ¼  -   ½ V 16  -1 /2   0   ½  V 5  ½  0  -1/2  V 17  -3 /4   -   ½  V 6  ¼  -1 /2  V 18  -1 /2   -   ½  V 7  -1 /4   -1 /2  V 19  0  -   ½  V8   -1 /2  0   -1 /2  V 20  ¼  -   ½  V 9  - 1 /2  0  0  V 21  ½  0  0  V 10  -3 /4   0 V 22  ¼  -   0  V 11  -1 /2   0 V 23  -1 /4   -   0      Refere nce vect or is sum  of three pieces  of  voltage   vector nearest neighbor  and its representsation  com p ares of  magnitude  (Vdc) from  Va, Vb, a nd  Vc.  Reference ve ctor  can be  obtained from   each  of  tetrah edron .  After th e  d e term in atio n   o f  referen ce  v ect or,  nex t  step s are  determin ed  switch i ng  tim e d u r atio n   and calculated  duty cycle.  In figure-6,  re fere nce  vect o r   (V r e f)  has  de scri b e d i n  a  sp heri c a l  co or di nat e  a n d  t h i s   redu ction  aim s  to   d e term in e switch i ng  tim e  d u ration  an d du ty cycle.             Fi gu re 6.   R e fer e nce vect o r  (V ref )  descri pt i o n   i n   a sp heri cal  coo r di nat e       To  g e t th e li n e  to  n e u t ral  v o ltag e   (V an , V bn , V cn , V nn ) ,  ci rcui t  of a , b,c - co n duct o r  and  ne ut ral   co ndu ctor  o n  th e activ e filter  b a sed   o n  a sp herical coo r d i n a te can   b e   o b t ai n e d as  fo llows  [9 ]:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       C o m p a r i s o n   of  Vol t a ge V ect o r  C o nt rol  B a se d  on  D u t y  C ycl e An al ysi s  i n  T h ree  ... . ( I ndri a rt o Y uni a n t o r o )   1 401    (5a )        (5 b)        (5c )        (5 d)     So t h e swi t c hi ng  d u rat i o n t i m e  of eac h a, b , c-c o n d u ct or  a n d  ne ut ral  c o n duct o r a r e  obt a i ned  fr om  t h e  fo llowing  equ a tio n s :      =   =      (6a )      =   =      (6 b)      =   =    (6c )      =   =      (6 d)     No ted  th at T z  =   ,  m odul at i on i n dex ,  M  =  , and t h e bo u nda ry  co n d i t i ons eac h sect or i s   0   ,    0  .  Furt herm ore, to  determine the  duty  cycle  of e ach tetrahe d ron ca n be  use d  t o  t h e   fo llowing  equ a tio n .        (7a )        (7 b)        (7c )        (7 d)     Herei n  Dz  = 1-   (D 1  +D 2  +D 3 ).  Value of Vref  and  ф ,  ψ -a ngles if incorporated  in to  t w enty-fou r t h  asymmetric tetrah ed ron  can   b e   d e term in ed  ti me d u ration  and   d u t y cycle, it is requ ired   f o r s w i t c hi n g   com b i n at i on of b o t h   a,b,c - c o n d u ct or  a n d  neut ral  co n duc t o r.       3.   DUT Y  CYCL E ANAL YSIS ON  VARIOUS TETRAHE D RON SHAPE  Geom etrical principles are  ne eded t o  analys e the re fe re nce  vector on the t e trahe d ron  sha p e.   A cubic  h a s a len g t h  si d e  is  2   u n it  (cen ti m e ter) if it is cu t in cro s s sectio n  t h an  resu ltin g a tetrah edro n   sh ap e l i k e  as  Fi gu re 7 .  The l o n g i t u de i s  co nnect e d  a cent r al  poi nt  t o wa r d   m i ddl e poi nt ,  and i t  can be u s ed t o  det e rm ine t h e   val u e  of  refe re nce vect or  of t e t r ahe d r on  ( V r e f).  T h e  resul t i ng a ngl e  bet w een t h e l o n g i t u de t o  t h e e d ges  pl ane  defi ned  Φ -a ngl e w h i l e  t h e res u l t i ng a n gl e be t w een t h e l o n g i t udes t o  t h e  u p ri ght   pl anes  d e fi ne d  ψ - a n g l e s u ch  as i n  equat i o n- 5 an d eq uat i o n - 6 .   W e i g ht  val u e of t h e  α -a x e s,  β - a xes and  γ -axes are  represente d duty cycle   (D 1 ,D 2 .D 3 ).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016   :   13 95  –  1 405  1 402     Fig u re  7 .  Geometry an alyse o f  tetrah ed ron   fro m  a cu b i c cu ttin g      3. 1.   Duty Cycle Analysis   in the Shen’s Model  Th er e ar e six  no n- zero v ect o r   sw itch i ng   (N ZSV )  an d  t w o z e ro  vect or  s w i t c hi n g   (ZS V )  i n  o n e s ect or   (6 0 o )  whic h ca n be  desc ribe d as switching  com b ination  divided i n to  four initial  tetrahedron, whe r ein  each  t e t r ahed ro n i s   defi ned  by  t h r ee NZS V  a n d   t w o Z S V .   F o urt h  o f  t e t r a h e d r o n i n  eac h s ect or ca n  be p r o d u ced   param e t e r t e t r ahed r on  suc h  as  refe rence  vect or a n d  dut y   cy cle. In Ta ble 2, duty cy cle cal cu latio n   resu lt in  the  She n ’s  m odel  i s  gi ven .       Table  2.  Duty cycle calculation in t h e She n ’s m odel   No Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  No  Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  1  1, 0601 4   0, 80  0, 22   0  0  7  0, 8165   0, 44  0, 56   0  0  2  0, 8165   0, 35  0, 62   0  0  8  1, 0601 4   0, 61  0, 44   0  0  3  0, 8165   0, 44  0, 56   0  0  9  1, 0601 4   0, 80  0, 22   0  0  4  1, 0601 4   0, 61  0, 44   0  0  10   0, 8165   0, 35  0, 62   0  0  5  1, 0601 4   0, 80  0, 22   0  0  11   0, 8165   0, 44  0, 56   0  0  6  0, 8165   0, 35  0, 62   0  0  12   1, 0601 4   0, 61  0, 44   0  0      3. 2.   Dut y  C y cl e A n al ysi s   i n  the Z h ang’s   M o d e l   One state of s ector (prism ) in the Z h ang’s  m odel  is produced  four piec es  of tetra h edron t h ere f ore  com p rising all  of si x  prism  in a cylin drical sha p e entirely  has twe n ty-four  pieces  of te trahe d ron.  Ea ch of  tetrah edron   ha s diffe rent piec es, so that anal ysis each of te trahe d ron s h ould be perform ed differe n tly. Using  equat i o n 5,  e q uat i on 6  a nd e quat i o n 7  i n  p r evi ous di sc us si on ,  t h e para m e t e rs  t e t r ahedr o n  suc h   as v a l u e  o f   Vre f , swi t c hi n g  t i m e  of each t e t r ahe d r on  and  dut y  cy cl e can be det e rm i n ed.  In Tabl e 3, d u t y  cy cl e  calcu latio n   resu lt in  th e Zh ang ’ s m o d e l is g i v e n.      Table  3.  Duty cycle calculation in t h e Z h a n g’s  m odel  No Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  No  Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  1  0. 6301 85   0. 37  0. 48   0. 03   0. 1  13   0. 6700 08   0. 29  0. 51   0. 04  0. 08   2  0. 6292 32   0. 23  0. 56   0. 03   0. 09   14   0. 7374 28   0. 32  0. 56   0. 04  0. 04   3  0. 7700 22   0. 39  0. 53   0. 06   0. 01   15   0. 6316 82   0. 06  0. 59   0. 02  0. 15   4  0. 3853 43   0. 01  0. 39   0. 04   0. 25   16   0. 7700 22   0. 39  0. 53   0. 06  0. 01   5  0. 6311 72   0. 18  0. 55   0. 01   0. 12   17   0. 6311 72   0. 24  0. 55   0. 01  0. 09   6  0. 6311 72  0. 36   0. 4  0. 07   0. 09   18   0. 3866 95  0. 19   0. 24   0. 05   0. 23   7  0. 7706 85   0. 33  0. 57   0. 05   0. 02   19   0. 4997 33   0. 45  0. 14   0. 11  0. 15   8  0. 5105 12   0. 11  0. 48   0. 02   0. 18   20   0. 7706 85   0. 33  0. 57   0. 05  0. 02   9  0. 5984 61   0. 14  0. 55   0. 02   0. 13   21   0. 6292 32   0. 18  0. 69   0. 01  0. 11   10  0. 6301 85   0. 2  0. 56   0. 02   0. 1  22  0. 6301 85   0. 43   0. 4  0. 07   0. 09   11  0. 7700 22   0. 4  0. 53   0. 06   0. 01   23  0. 7700 22   0. 33   0. 57   0. 05   0. 02   12  0. 7700 22   0. 33   0. 58   0. 05   0. 02   24  0. 7700 22   0. 4  0. 53   0. 06   0. 01         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       C o m p a r i s o n   of  Vol t a ge V ect o r  C o nt rol  B a se d  on  D u t y  C ycl e An al ysi s  i n  T h ree  ... . ( I ndri a rt o Y uni a n t o r o )   1 403 3. 3.   Duty Cycle Analysis   in  the Perales’s   Model  Tet r ahe d r o n ( r e gi o n   poi nt er)   anal y s i s  i n  a b c - co or di nat e   o f   t h e Per a l e s’s  m odel  i s  used   qui t e  a l o t .   There  are  sixty-four tetra h ed r ons  t h at  ca n  be  o b t a i n ed .  Ho weve r,  fr om  t h ese si xt y - f o urt h  t e t r ah ed ro ns ,  t a ki n g   twenty-four pi eces of them  is  enough to dete rm ine value  of  duty cycle.   It is interesting i n   the Pe rales’s m odel   whe n  pa ram e t e r of fourt h  pi eces of initial  state of tetrah e d ron is known, then this value will be repea t ed to  an o t h e r.  Using equ a tion   5 ,  eq u ition   6  and   eq u a tion 7 in   p r ev iou s   d i scussio n , th e  p a rameters o f  th e  fou r t h   in itial state tet r ah ed ron  i n  the Perales’s m o d e l su ch as  v a lu e o f  Vref,  the  switch i n g  d u ratio n  ti m e   o f  each  pha se a n d dut y  cycle can be  determ ined.  In Ta ble  4,  du ty cycle calcu latio n   resu lt in th e Perales’s mo d e l is  gi ve n.       Table  4.  Duty cycle calculation in t h e Pe ral e s’s m odel   No Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  No  Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  1  1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  13   1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  2  0. 8165  0. 41   0. 6  0  0  14   0. 8165  0. 41   0. 6  0  0  3  0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07   0. 09   15   0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07  0. 09   4  0. 9389 75  0. 58   0. 54   0  0  16   0. 9389 75  0. 58   0. 54   0  0  5  1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  17   1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  6  0. 8165  0. 41   0. 6  0  0  18   0. 8165  0. 41   0. 6  0  0  7  0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07   0. 09   19   0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07  0. 09   8  0. 9389 75  0. 58   0. 54   0  0  20   0. 9389 75  0. 58   0. 54   0  0  9  1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  21   1. 0601 37  0. 22   0. 88   0  0  10  0. 8165   0. 41   0. 6  0  0  22  0. 8165   0. 41   0. 6  0  0  11   0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07   0. 09   23   0. 6940 25   0. 16  0. 67   0. 07  0. 09   12  0. 9389 75   0. 58   0. 54   0  0  24  0. 9389 75   0. 58   0. 54   0  0      3. 4.   Duty Cycle Analysis   In As ymmetric’s   Model   Based  on  an alysis p a ir  o f  asy mme tric tetr ahedron sha p es  obtained   fr om  pro j ect i o n i n   αβ 0-c o or di nat e   l i k e Fi gur e 8,  i t  can be descri be d coo r di na t e  posi t i on o n  t h e t op and t h e b o t t o m  of tet r ahe d r on  pai r . Si x   sect ors t h at  are  on t h e t op a n d o n  t h e bottom te trahedrons  are  produce d the sa m e  value of duty cycle   in one   circle. Th e center po in t of th e to p  te trah edron  is po sitio n e d   in  v ector  V 15  an d  t h e cen ter po in t of th e  bo tto m  o f   tetrah edron  is  p o s ition e d  in  vecto r  V 0 . Asy mme trical tetr ahedron a ppea r s as  pieces of prism  form  pairs that  are not balanced bet w een t h e top and the bottom .  Re ference  vector is determ ined by drawi n g a line  co nn ecting  th e cen ter  po in t  with  a cross-sectio n   o f  t h e  p r is m .  In  one circle, there  are t w enty-four pie ces  of  refe rence  vect or . The r ef o r e,  dut y  cy cl e can  be det e rm i n ed. In Fi gu re  8, t e t r ahe d r on  pai r   i s  descri bed  wi t h  t h e  cen ter po in t b e in g   at  t h e V 15  on  th e top   o f  tetrah ed ron .           Fi gu re  8.  Tet r a h ed r o n  pai r s  o n  st at e- (1,1,1,1) the  top  of ce nter point  (V 15 )       Usi n g eq uat i o n 3, e q uat i on  4 an d eq uat i o n 5, t h e t e t r ah edr o n par a m e ters suc h  as va l u e of  Vre f ,   swi t c hi n g  t i m e o f  eac h t e t r a h edr o n a n d   dut y  cy cl e can  be  det e rm i n ed.  T a bl e  5 i s   gi ve n t h e  resul t s   o f   dut y   cycle calculation in a s ymmetric m odels.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016   :   13 95  –  1 405  1 404 Table 5. Duty  cycle  calculati o n  in  t h e asymmetric  m o d e l  No Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  No  Vref   D 1  D 2  D 3  Dz/2  1  0. 6009 25   0. 12   0. 55  0. 04   0. 15   13   0. 4714 03   0. 1  0. 44  0. 01   0. 21   2  0. 1666 63   0. 06   0. 11  0. 01   0. 4  14   0. 4713 99   0. 1  0. 44  0. 01   0. 21   3  0. 4713 99  0. 26   0. 32   0. 04   0. 19   15   0. 4714 03  0. 26   0. 32   0. 04   0. 19   4  0. 4714 03  0. 26   0. 32   0. 04   0. 19   16   0. 4713 99  0. 26   0. 32   0. 04   0. 19   5  0. 2204 77  0. 1  0. 18   0. 02   0. 35   17   0. 4713 93  0. 1  0. 44   0. 01   0. 21   6  0. 4714 03   0. 16  0. 4  0. 01   0. 21   18   0. 4713 99   0. 1 0. 44   0. 01   0. 21   7  0. 4713 99  0. 26   0. 31   0. 03   0. 19   19   0. 4714 03  0. 26   0. 32   0. 04   0. 19   8  0. 4713 93  0. 28   0. 36   0. 06   0. 15   20   0. 3333 26  0. 36   0. 11   0. 23   0. 15   9  0. 5527 7   0. 12  0. 43   0. 01   0. 21   21   0. 3004 61   0. 14  0. 17   0. 05   0. 32   10  0. 4714 03   0. 1  0. 44   0. 01   0. 21   22  0. 4713 99   0. 1  0. 44   0. 01   0. 21   11  0. 4713 93   0. 16   0. 32   0. 07   0. 22   23  0. 4713 93   0. 24   0. 3  0. 06   0. 19   12  0. 3333 31   0. 12   0. 43   0. 01   0. 21   24  0. 4409 57   0. 09   0. 41   0. 02   0. 23       4.   RESULT AND DIS C USSI ON  The following  com p arison  of duty cycle analysis  based  on each tetra h e d ron m odel was de veloped.   In  th e Sh en ’s an d  th e Perales’s  m o d e l, v a lu e o f  du ty cycle  in  th e c-cond ucto r (D 3 ) an d t h e ne ut ral  co n duct o r   (D z )  is eq u a l zer o , ev en t h ough  actu a lly calcu latio n   pr odu ces a n e g a tiv e valu e, it ind i cates th at th e Shen ’ s  and   Perales’s m o d e l to  cu rren t  com p en satio n  con t ro l is n o t  n e cessary to  regu l a te switch i n g  co m b in atio n s  fro m   th e   c-co n duct o r a n d t h e  neut ral  c o n d u ct o r . T h e  She n ’s a n d Per a l e s’s m odel  even c o nd uct e d  on t h ree - p h ase  fo ur - wire system o f  activ e filter resu lted  and  ind i cated  th at  it ca n  b e  don e bu  sim p l i fyin g  and  u s ing  on  th ree-p h a se  th ree-wire syst e m  o f  activ e filter, sin ce switch i n g  co m b i n atio n  is on ly d o n e  in  a,b-co ndu ctor (two-ph a se  m odul at i on) . I n  t h e Z h an g ’ s  m odel ,  i t  appears t h at  val u e of  dut y  cy cl e i n  ne ut ral  wi re (D z ) is sm a ller th an  v a lu e  of  d u t y cycle in  asymmetric m o d e l. It  mean s, in  t h e Zha n g ’ s  m odel ,   t h e pe ri o d  of swi t c hi n g   i n   f o urt h - leg  of  IGBT mo du le co n t ro ller is sh orter th an  asymm e tric m o d e l.    In  Fig u re  9 ,   re sult com p ariso n   of  duty cycle betwee n  She n ’s,  Zha n g’ s, Perales’s, Asymmetric  m o d e l  is give n. T h e  graph the  She n ’s and Perales ’ s  lines can  not be  de scribed because  the  val u e of  duty cycle (D z )  fo r  bot h  of  t h e m   i s  equal  ze r o .           Fi gu re  9.  R e sul t  com p ari s on  o f   dut y  cy cl e be t w een  She n ’s,  Zha n g ’ s,  Peral e s’s,  Asy m m e tri c  m odel       5.   CO NCL USI O N   Asy m m e t r i c  vol t a ge  vect o r   m odel  as a res u l t  of  p q r - c o o r di nat e   pr oje c t i on i n t o   αβ 0-c o or di nat e  ca n  be  u s ed  to regu late cu rren t co m p ensatio n con t ro l. A skew e d  vect or  desc ri pt i o n  o f  a s y m m e t r i c  vol t a ge  vect or   defi nes t h e  m odul at i o n  bo u n d a ry -l i n e as e q u a l  0. 5 V d c  w h ere t h i s   val u e i s  l e ss t h a n  t h e  m odel  devel o p e d  by   S h en ,   Z h ang  an d P e r a le s .     Th e p a ram e ter  calcu latio n  o f   tetr ahed r on a n d com p are e x i s t i ng m ode l ba sed  on  duty cycle analysis  i n  ne ut ral  wi re  can be c o ncl u ded  w h ere asy m m e t r i c  vol t a g e  vect o r  m odel  have  val u e  g r eat er t h an a n ot her .  It   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.