사각형입니다.

https://doi.org/10.6113/JPE.2019.19.6.1582

ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718



Common-Mode Current Reduction with Synchronized PWM Strategy in Two-Inverter Air-Conditioning Systems


Youngjin Baek*, Gwigeun Park**, Dongmin Park**, Honnyong Cha***, and Heung-Geun Kim


†,*Department of Electrical Engineering, Kyungpook National University, Daegu, Korea

**Home Appliance and Air Solution Control R&D Lab, LG Electronics Inc., Changwon, Korea

***School of Energy Engineering, Kyungpook National University, Daegu, Korea



Abstract

A new method for reducing the common-mode current generated by the voltage variations in a two-inverter air conditioner system by applying a synchronized pulse-width modulation (PWM) strategy is proposed. The PWM signals of the master-mode inverter are generated based on the reference voltage, while those of the slave-mode inverter are output in the opposite direction when the master-mode inverter changes its switching state. However, the slave-mode control results in a mismatch between the reference voltage and the actual output voltage that is modified by synchronized control operation. The proposed method is capable of reducing and controlling this voltage error by performing signal selection in the vector space of the slave-mode inverter, which mitigates the distortion of the phase current. The efficacy of this method in reducing conducted emissions has been validated both theoretically and experimentally.


Key words: Air-conditioning system, Common-mode current, Conducted emission, Electromagnetic interference, Synchronized PWM strategy


Manuscript received Mar. 18, 2019; accepted Jun. 21, 2019

Recommended for publication by Associate Editor Wook-Jin Lee.

Corresponding Author: kimhg@knu.ac.kr Tel: +82-53-950-5605, Kyungpook National University

*Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National Univ., Korea

**Home Appliance and Air Solution Control R&D Lab, LG Electronics Inc., Korea

***School of Energy Engineering, Kyungpook National University, Korea



Ⅰ. INTRODUCTION

The development cycle for air conditioners (ACs) has become increasingly shorter, which has led to the release of a variety of AC products. Thus, it is important to reduce the duration and cost of verification procedures aimed at ensuring that their designs comply with electromagnetic interference (EMI) standards. The common-mode core, which is easy to install in power cables, is usually employed in EMI testing since it allows for the releasing of products immediately after development without violating EMI standards. Although the application of this method enables meeting EMI standards without modifying the circuits in equipment under test (EUT), the released products usually have a complicated structure. In addition, the cost of the materials increases with the implementation of this method, which negatively affects the price competitiveness of products. Consequently, many manufacturers have conducted intensive research studies to determine the fundamental causes of EMI.

When the fan motor of an AC is operated, the applied phase voltage changes due to a change in the switching state of the inverter in the circuit. This change leads to a parasitic capacitance between the motor phase and the ground, which generates common-mode current [1], which is the main cause of the conducted emission (CE) noise in ACs. The commercial 7-kW AC examined in this work uses two fans for heat exchange and contains control circuits for the inverter and fan drive motor. Accordingly, a common-mode current is constantly generated due to the voltage variation (그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 541pixel, 세로 140pixel). Such currents produced at different loads often mutually overlap.

Multiple studies have been conducted to either restrict or reduce the flow of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image1.png
원본 그림의 크기: 가로 541pixel, 세로 140pixel-driven common-mode current and resolve the EMI problem. Multilevel inverters were able to reduce this voltage variation due to changes in the switching state of the insulated-gate bipolar transistor (IGBT) [2], [3]. In a recent study, the use of an active noise filter was proposed to measu re the common-mode current generated in the EUT, which simultaneously enabled current flow in the opposite direction [4], [5]. However, these methods require the installation of additional components, and their application to AC systems results in decreases in price competitiveness.

A technique for reducing the change in common mode voltage by applying a pulse-width modulation (PWM) switching method has been examined as well [6], [7]. It decreases the magnitude of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image1.png
원본 그림의 크기: 가로 541pixel, 세로 140pixel and the common mode current. However, it does not offset it completely. To mitigate this issue, a new method for reducing common-mode current has been developed. This method only modifies the PWM strategy without using additional components or modifying the circuits in AC systems containing two inverters for driving fans. The proposed synchronized PWM method can generate a current flowing in the direction opposite to that of the common-mode current. Since the two currents offset each other, the common-mode current measured at the input is effectively reduced. In previous works, a synchronized control strategy was applied to induction motors [8]-[12]. However, this study focused on reducing the noise caused by the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image1.png
원본 그림의 크기: 가로 541pixel, 세로 140pixel variations related to PWM switching. As a result, the voltage distortion of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) motor can be minimized, and the current can be properly controlled.

In this paper, simulation tests were conducted under two fan loads without switching on the motor driving the compressor and indoor unit load. Compressors are another major source of AC noise. However, this study examined systems containing two motors with the same impedance. Its objective was to determine the efficacy of the proposed method in terms of inverter performance and reductions of the common-mode current and CE noise by the synchronized PWM strategy.



Ⅱ. SYNCHRONIZED PWM STRATEGY

Two types of parasitic capacitance leading to the generation of the common-mode current exist in AC systems. The first type is the capacitance between the cable connecting the inverter with the motor and the enclosure of the outdoor unit, and the second type is the capacitance between the motor winding and the motor enclosure [13]-[15]. Fig. 1 shows an equivalent circuit of the common-mode current in an AC system whose parameters can be obtained by measuring the common-mode impedance [16]. Differential mode impedances such as the stator inductance are not considered in this diagram.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240050.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1495pixel, 세로 664pixel

Fig. 1. Circuit diagram of the common-mode path and impedance. (a) Wire. (b) Fan motor.


A change in the phase voltage changes the electric potential between the outdoor unit enclosure (chassis ground) and the phase voltage of the motor. Among the three phases applied to the motor, the common-mode current generated in phase a can be expressed as the sum of the currents generated by the parasitic capacitors 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 88pixel, 세로 67pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 68pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 90pixel, 세로 68pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 94pixel, 세로 69pixel as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f6429ec.bmp
원본 그림의 크기: 가로 714pixel, 세로 84pixel             (1)

Eq. (2) expresses the currents flowing in all of the parasitic capacitors as functions of the node voltages.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240051.bmp
원본 그림의 크기: 가로 656pixel, 세로 540pixel         (2)

where:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240052.bmp
원본 그림의 크기: 가로 946pixel, 세로 549pixel

The voltage drop caused by the parasitic inductance and resistance is negligible when compared with that caused by the capacitance. Thus, the voltages at all of the nodes can be considered equal, and the common-mode current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240053.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 75pixel can be expressed as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240054.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1444pixel, 세로 293pixel       (3)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 190pixel, 세로 66pixel denotes the equivalent capacitance, which is equal to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 373pixel, 세로 65pixel.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image15.png
원본 그림의 크기: 가로 6026pixel, 세로 2412pixel

Fig. 2. Circuit diagram of the air conditioner common-mode path.


When the voltage changes due to the switching operation of the inverter, the common-mode current corresponding to the capacitance characteristics is generated. As shown in Fig. 2, a 7-kW commercial AC has two inverters sharing a single direct current (DC) power supply. If the generated common- mode currents are 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 137pixel, 세로 70pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 134pixel, 세로 73pixel, the common-mode current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 208pixel, 세로 69pixel at point 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 45pixel, 세로 57pixel, where these currents merge, can be expressed by Eq. (4):

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240055.bmp
원본 그림의 크기: 가로 872pixel, 세로 83pixel     (4)

where:

그림입니다.
원본 그림의 이름: image21.png
원본 그림의 크기: 가로 2872pixel, 세로 360pixel

그림입니다.
원본 그림의 이름: image22.png
원본 그림의 크기: 가로 2994pixel, 세로 360pixel

Because fans 1 and 2 use the same type of motor, the parasitic capacitance of fan 1 can be assumed to be equal to that of fan 2, i.e., 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 217pixel, 세로 75pixel = 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 219pixel, 세로 72pixel. Accordingly, if the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 66pixel of fans 1 and 2 at the time of switching is applied in the opposite direction, the common-mode current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 205pixel, 세로 73pixel at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 50pixel, 세로 55pixel can be maintained at a value close to zero, as shown in Eq. (5).

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240056.bmp
원본 그림의 크기: 가로 802pixel, 세로 145pixel      (5)

Out of the two inverters, the one used to set the control criteria is called the master-mode inverter. Meanwhile the synchronized one is called the slave-mode inverter. The master-mode inverter uses the switching function 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 120pixel, 세로 72pixel, which corresponds to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 124pixel, 세로 72pixel calculated to generate a reference voltage. The slave-mode inverter outputs the switching function 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 98pixel, 세로 61pixel, which is synchronized with 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 125pixel, 세로 69pixel calculated for the master-mode inverter. Here, the switching function 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 77pixel for generating the reference voltage of the slave-mode inverter is neglected. It can be expressed as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240057.bmp
원본 그림의 크기: 가로 562pixel, 세로 175pixel          (6)

Fig. 3(a) illustrates the proposed synchronized PWM method. For example, when the master inverter outputs a zero vector 그림입니다.
원본 그림의 이름: image32.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel (그림입니다.
원본 그림의 이름: image33.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 186pixel/2), the slave inverter also outputs a zero vector 그림입니다.
원본 그림의 이름: image34.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel. Subsequently, when the master inverter outputs 그림입니다.
원본 그림의 이름: image35.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 185pixel for 그림입니다.
원본 그림의 이름: image36.png
원본 그림의 크기: 가로 352pixel, 세로 248pixel, the slave inverter outputs 그림입니다.
원본 그림의 이름: image37.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 185pixel for 그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 392pixel, 세로 209pixel(그림입니다.
원본 그림의 이름: image36.png
원본 그림의 크기: 가로 352pixel, 세로 248pixel). Thus, as soon as 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 66pixel exhibits a negative value at phase c of the master inverter, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 66pixel signal at phase a of the slave inverter assumes a positive value. To maintain current control stability, the two fans alternate between the master and slave modes during each PWM control period.

This synchronized PWM strategy ensures that the actual output voltage of the slave-mode inverter is different from the reference voltage. This difference can be expressed by the vectors depicted in Fig. 3(b). The reference voltage 그림입니다.
원본 그림의 이름: image39.png
원본 그림의 크기: 가로 257pixel, 세로 223pixel of the master-mode inverter 그림입니다.
원본 그림의 이름: image40.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 186pixel, which is symmetric to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image41.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel bisecting the plane between 그림입니다.
원본 그림의 이름: image37.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 185pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image35.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 185pixel, corresponds to the actual output voltage of the slave-mode inverter, thereby generating a voltage error with respect to the reference voltage.


Fig. 3. Synchronized PWM strategy. (a) PWM switching function. (b) Vector diagram.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240058.bmp
원본 그림의 크기: 가로 714pixel, 세로 770pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240059.bmp
원본 그림의 크기: 가로 608pixel, 세로 553pixel

(b)



Ⅲ. ERROR REDUCTION VIA THE SYNCHRONIZED PWM STRATEGY

An inverter operating in the slave mode always exhibits a voltage mismatch between the actual output voltage and the reference voltage leading to a distortion of the phase current. Hence, the resulting voltage error must be minimized. According to Eqns. (4) and (5), the common-mode current reduction depends on the direction of the voltage change caused by the change in the IGBT switching state. Once the switching function of the master-mode inverter is activated, the slave-mode inverter generating a 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 66pixel signal in the opposite direction during switching operation can have six switching functions (see Fig. 4). For a given output of the slave-mode inverter, the sector corresponding to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 97pixel, 세로 70pixel is maintained, and the voltage error is minimized Thus, in this paper, the implementation of the synchronized PWM strategy is based on the PWM output.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524005a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 858pixel, 세로 691pixel

Fig. 4. Vector diagram of the synchronized PWM strategy.


Fig. 5 depicts the six switching states 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 57pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 54pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 81pixel, 세로 56pixel of the slave-mode inverter. These states can be synchronized with the switching states 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 85pixel, 세로 55pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 55pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 78pixel, 세로 55pixel to control the master-mode inverter.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524005b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 576pixel, 세로 810pixel

Fig. 5. Switching function of the synchronized PWM strategy. (a) Sector 1 of master mode. (b) Sector 1. (c) Sector 2. (d) Sector 3. (e) Sector 4. (f) Sector 5. (g) Sector 6.


The method for utilizing the difference between 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f64001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 59pixel, 세로 64pixel and the target output of the master-mode inverter is expressed by Eq. (7).

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524005c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1139pixel, 세로 249pixel          (7)

For example, when the reference voltage of the master-mode inverter is in sector 1 (Fig. 5(a)), and that of the slave-mode inverter is in sector 2 (Fig. 5(c)), the proposed control strategy ensures that the switching-off time (A) of the master-mode output 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 316pixel, 세로 76pixel at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 58pixel, 세로 62pixel coincides with the switching-on time (B) of the slave-mode output 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000f640022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 311pixel, 세로 72pixel.

Fig. 6 illustrates one case of the proposed PWM strategy. In this case, fan 1 operates in the master mode and fan 2 operates in the slave mode using the offset voltage [17].


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524005d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1522pixel, 세로 622pixel

Fig. 6. Control block diagram of the synchronized PWM strategy.



Ⅳ. EMI SIMULATION

The conventional simulation procedures for an EMI analysis either examine the signal frequency attenuation or the operation of the switching element by applying a squarewave reference voltage [18], [19]. However, these procedures are less suitable for performing EMI CE simulations for the different logic states of an inverter control unit. Therefore, EMI CE was simulated in this paper by configuring a model that takes into account various loads such as the power source, line impedance stabilization network (LISN), motor wire, inverter and fan motor as well as the internal operation of the microprocessor [20].

A simulation environment was created using a circuit simulation program (TwinBuilder) [21]. A fast Fourier transform technique was used to analyze the data obtained for the LISN circuit, which was configured in the power supply network. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) models of the diode and IGBT used in actual inverters served as components. The inverter control logic was implemented using a control software design tool (SCADE) [21].

Real situations were reproduced by independently configuring the synchronized control program and the microprocessor. The simulation procedure lasted 125 ms at 10-ns intervals.


TABLE I FAN MOTOR AND WIRE COMMON-MODE MODEL PARAMETERS

Parameter

Value

Unit

그림입니다.
원본 그림의 이름: image55.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 185pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image56.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 185pixel

150

nH

그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel

0.5

μH

그림입니다.
원본 그림의 이름: image58.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 185pixel

2.52

μH

그림입니다.
원본 그림의 이름: image59.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel

5.0

mH

그림입니다.
원본 그림의 이름: image60.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 188pixel

80

pF

그림입니다.
원본 그림의 이름: image61.png
원본 그림의 크기: 가로 244pixel, 세로 188pixel

6.5

pF

그림입니다.
원본 그림의 이름: image62.png
원본 그림의 크기: 가로 244pixel, 세로 189pixel

40

pF

그림입니다.
원본 그림의 이름: image63.png
원본 그림의 크기: 가로 244pixel, 세로 188pixel

123

pF

그림입니다.
원본 그림의 이름: image64.png
원본 그림의 크기: 가로 204pixel, 세로 185pixel

5

그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 244pixel, 세로 185pixel

22

그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 218pixel, 세로 186pixel

65

그림입니다.
원본 그림의 이름: image67.png
원본 그림의 크기: 가로 244pixel, 세로 185pixel

2.61


The common-mode impedance characteristics of the fan motor are shown in Fig. 7(a), and the common-mode impedance between the outdoor unit enclosure and the motor wire is illustrated in Fig. 7(b). Table I lists the parameters of the circuit utilized to construct the equivalent impedance between the fan motor and the wire. As shown in Fig. 8(a), in the existing control method, the PWM-generated common- mode currents flow in the same direction. Meanwhile, when the synchronized control method is used, the IGBT states of inverters 1 and 2 simultaneously change to produce common- mode currents flowing in the opposite directions (see Fig. 9(a)).


Fig. 7. Common-mode impedances of the fan motor. (a) Motor- to-chassis impedance. (b) Wire-to-chassis impedance.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240060.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1039pixel, 세로 570pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240061.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1034pixel, 세로 543pixel

(b)


Fig. 8. Simulation results obtained without the synchronized PWM strategy (base). (a) Common-mode currents generated in fans 1 (top) and 2 (bottom). (b) Common-mode current in the GND path. (c) Phase current of the fan 1 motor.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240062.bmp
원본 그림의 크기: 가로 970pixel, 세로 479pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240063.bmp
원본 그림의 크기: 가로 968pixel, 세로 472pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240064.bmp
원본 그림의 크기: 가로 959pixel, 세로 379pixel

(c)


Fig. 9. Simulation results obtained with the synchronized PWM strategy. (a) Common-mode currents generated in fans 1 and 2. (b) Common-mode current in the GND path. (c) Phase current of the fan 1 motor.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240065.bmp
원본 그림의 크기: 가로 949pixel, 세로 474pixel

(c)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240066.bmp
원본 그림의 크기: 가로 980pixel, 세로 477pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240067.bmp
원본 그림의 크기: 가로 993pixel, 세로 375pixel

(b)


The existing control method often increases the sum of the common-mode currents generated by the two inverters, as shown in Fig. 8(b). However, the synchronized PWM control reduces their magnitudes (see Fig. 9(b)). When compared with the phase current of the existing method (Fig. 8(c)), the synchronized PWM strategy does not significantly distort the phase current any further, as shown in Fig. 9(c).

The results of the EMI CE analysis reveal that the synchronized PWM strategy yields an overall CE decrease of 6.7–20 dB (Fig. 10). In particular, the obtained decreases are equal to 20 dB at 170 kHz, 6.7 dB at 1 MHz, and 9.8 dB at 10 MHz.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240068.bmp
원본 그림의 크기: 가로 940pixel, 세로 690pixel

Fig. 10. Simulation results obtained with (black) and without (green) the synchronized PWM strategy.



Ⅴ. EXPERIMENTAL RESULTS

Fig. 11 shows an experimental setup for measuring EMI CE voltages, in which a LISN is connected to a 7-kW commercial AC system in an EMI measurement chamber at room temperature. The compressor load and indoor unit were not operated. The fan control circuit was activated, and all of the EMI measurement components such as the noise filter and core were removed to evaluate only the performance of the synchronized PWM strategy. By applying the noise filter, the specified CE limits of the EMI standard can be satisfied.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000015240069.bmp
원본 그림의 크기: 가로 756pixel, 세로 783pixel

Fig. 11. Hardware setup utilized in this paper.


When the existing PWM method is used, the two inverters perform PWM at close times. As a result, common-mode currents are generated in the same direction (Fig. 12(a)).


Fig. 12. Test results obtained without the synchronized PWM strategy (base). (a) Common-mode currents generated in fans 1 and 2. (b) Common-mode current in the GND path. (c) Phase current of the fan 1 motor.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524006a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1394pixel, 세로 619pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001524006b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1397pixel, 세로 585pixel

(b)

그림입니다.
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(c)


However, the synchronized control strategy generates currents in opposite directions, as illustrated in Fig. 13(a). Furthermore, Fig. 12(b) reveals that the common-mode currents generated by fans 1 and 2 are added together. However, according to Fig. 13(b), the PWM strategy changes the distortion of the phase current very little relative to the existing method.


Fig. 13. Test result obtained with the synchronized PWM strategy. (a) Common-mode currents generated in fans 1 and 2. (b) Common-mode current in the GND path. (c) Phase current of the fan 1 motor.

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(a)

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(b)

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(c)


This observation is confirmed by comparing waveforms of phase currents generated by the existing and the proposed PWM control methods in Figs. 12(c) and 13(c), respectively. Phase current distortion does not occur when the two fans are operated at different speeds, as shown in Fig. 14. In this paper, their values are equal to 200 rpm for fan 1 and 900 rpm for fan 2 since the fan rotation speed in ACs can vary from 200 to 900 rpm. Fig. 14 shows a magnified waveform of the phase current.


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Fig. 14. EMI (CE) test results obtained with the synchronized PWM strategy at different operating conditions (fan 1 speed: 200 rpm; fan 2 speed: 900 rpm).


The results of EMI CE measurements (Fig. 15) revealed that noise reductions of 23, 6 and 1.5 can be achieved at frequencies of 170 kHz, 1 MHz and 10 MHz, respectively. Unlike the simulated case, the experimental data demonstrated that the noise level was reduced in the range from 150 kHz to 1 MHz. When compared with the simulation results, the experimental values exhibited smaller reductions at frequencies equal to 1 MHz or greater due to differences in the printed circuit board patterns, single IGBT components and motor impedances in the final products. Measuring the CE in the commercial AC tested in this study is typically very expensive in the low-frequency range (near 150 kHz), which makes the proposed method more attractive.


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Fig. 15. EMI (CE) test results obtained with and without the synchronized PWM strategy.



Ⅵ. CONCLUSIONS

In this paper, a new synchronized PWM strategy for reducing the common-mode currents in AC systems with multiple inverters is proposed. An alternative method was employed to avoid the instability of a PMSM (fan motor) with a vector control, and a special sector selection methodology was applied to reduce voltage errors. As a result, the distortion of the phase current was significantly reduced. Simulation tests conducted to verify the proposed strategy reveal that the EMI CE decreased under the EMI conditions for ACs.

Thus, the common-mode currents were successfully reduced by changing the control method without adding new hardware or modifying the existing one. The EMI CE value was improved by 6–23 dB in the frequency range from 150 kHz to 1 MHz. Further studies in this area should focus on developing new methods for reducing the voltage error when two fans operate at different speeds.



ACKNOWLEDGMENT

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20194030202310).



REFERENCES

[1] H. Akagi and T. Shimizu, “Attenuation of conducted EMI emissions from an inverter-driven motor,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 23, No. 1, pp. 282-290, Jan. 2008.

[2] H. Zhang, L. Yang, S. Wang, and J. Puukko, “Common- mode EMI noise modeling and reduction with balance technique for three-level neutral point clamped topology,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 64, No. 9, pp. 7563-7573, Mar. 2017.

[3] T. K. T. Nguyen, N. V. Nguyen, and N. R. R. Prasad, “Eliminated common-mode voltage pulse width modulation to reduce output current ripple for multilevel inverters, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, pp. 5952-5966, Aug. 2016.

[4] Y.-C. Son and S.-K. Sul, “Generalization of active filters for EMI reduction and harmonics compensation,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 42, No. 2, pp. 545-551, Mar. 2006.

[5] D. Shin, S. Kim, G. Jeong, J. Park, J. Park, K. J. Han, and J. Kim, “Analysis and design guide of active EMI filter in a compact package for reduction of common-mode conducted emissions,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., Vol. 57, No. 4, pp. 660-671, Aug. 2015.

[6] J.-H. Baik, S.-W. Yun, D.-S. Kim, C.-K. Kwon, and J.-Y. Yoo, “EMI noise reduction with new active zero state PWM for integrated dynamic brake systems,” J. Power Electron., Vol. 18, No. 3, pp. 923-930, May 2018.

[7] S. M. Ali, V. V. Reddy, and M. S. Kalavathi, “Simplified active zero state PWM algorithms for vector controlled induction motor drives for reduced common mode voltage,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering, pp. 1-7, 2014.

[8] X. Zhang and M. Shoyama, “Common-mode noise reduction with two symmetrical three-phase inverters,” in Proceedings of the 2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 61-64, 2014.

[9] H. Zhang, A. von Jouanne, and S. Dai, “A reduced-switch dual-bridge inverter topology for the mitigation of bearing currents, EMI, and DC-link voltage variations,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 37, No. 5, pp. 1365-1372, Oct. 2001.

[10] D. Jiang, Z. Shen, and F. Wang, “Common-mode voltage reduction for paralleled inverters,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 33, No. 5, pp. 3961-3974, May 2018.

[11] M. R. Baiju, K. K. Mohapatra, R. S. Kanchan, and K. Gopakumar, “A dual two-level inverter scheme with common mode voltage elimination for an induction motor drive,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 19, No. 3, pp. 794-805, May 2004.

[12] H. Zhan, Z. Q. Zhu, M. Odavic, Z. Wu, and A. S. Thomas, “Performance evaluation of adjustable space-vector PWM strategy for open-winding PMSM drives,” in Proceedings of the 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), pp. 1-8, 2017.

[13] H. de Paula, M. V. C. Lisboa, J. F. R. Guilherme, W. P. de Almeida, and M. L. R. Chaves, “Differential overvoltages and common-mode currents in PWM motor drives: The influence of the cable arrangement on their characteristics,” in Proceedings of 2009 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, pp. 1103-1109, 2009.

[14] N. Djukic, L. Encica, and J. J. H. Paulides, “Overview of capacitive couplings in windings,” in Proceedings of the Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), pp. 1-11, 2015.

[15] J. Luszcz, “Motor cable influence on the converter fed AC motor drive conducted EMI emission,” in Proceedings of the 5th International Conference on Compatibility and Power Electronics, pp. 386-389, 2009.

[16] Y. Koyama, M. Tanaka, and H. Akagi, “Modeling and analysis for simulation of common-mode noises produced by an inverter-driven air conditioner,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 47, No. 5, pp. 2166-2174, Sep./Oct. 2010.

[17] D.-W. Chung and S.-K. Sul, “Minimum-loss strategy for three-phase PWM rectifier,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 46, No. 3, pp. 517-526, Jun. 1999.

[18] B. Wei and S. G. Pytel Jr., “New integrated workflow for EMI simulation,” in Proceedings of the 2015 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), pp. 162-165, 2015.

[19] D. Zhuolin, Z. Dong, F. Tao, and W. Xuhui, “Prediction of conducted EMI in three phase inverters by simulation method,” in Proceedings of the 2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), pp. 1-6, 2017.

[20] M. Hedayati and V. John, “Design of a 3-phase line impedance stabilization network for conducted emission test,” in Proceedings of the 6th National Conference on Power Electronics, 2013.

[21] Ansys - https://www.ansys.com, March 13th 2019.



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Youngjin Baek received his B.S. and M.S. degrees from the Department of Electrical and Electronics Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan, South Korea, in 2008 and 2015, respectively. He is presently working in the Air Solution Control Research Lab., Home Appliance and Air Solution Company, LG Electronics Inc., Changwon, South Korea. His current research interests include inverter control, motor control, electromagnetic compatibility and simulations.


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Gwigeun Park received his B.S. degree in Electronics Engineering from Kyungnam University, Kyungnam, South Korea, in 1990; and his M.S. and Ph.D. degrees from Busan National University, Pusan, South Korea, in 2006 and 2010, respectively. In 1990, he joined the Air Solution Control Research Lab., Home Appliance and Air Solution Company, LG Electronics Inc., Changwon, South Korea. Since 2013, he has been working as a Research Fellow. His current research interests include motor drives, the control of electrical machines, power converters, EMC and inverter air conditioners.


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Dongmin Park was born in Suwon, Korea, in 1986. He received his B.S. and M.S. degrees from the Department of Control and Instrumentation Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, South Korea, in 2010 and 2013, respectively. He is presently working at the Air Solution Control Research Lab., Home Appliance and Air Solution Company, LG Electronics Inc., Changwon, Korea. His current research interests include inverter control, motor drives, EMC and simulations


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Honnyong Cha received the B.S. and M.S. degrees in Electronics Engineering from Kyung pook National University, Daegu, South Korea, in 1999 and 2001, respectively and the Ph.D. degree in Electrical Engineering from Michigan State University, East Lansing, MI, USA, in 2009. From 2001 to 2003, he was a Research Engineer with the Power System Technology Company, Ansan, South Korea. From 2010 to 2011, he was a Senior Researcher with the Korea Electrotechnology Research Institute, Changwon, South Korea. In 2011, he joined the School of Energy Engineering, Kyungpook National University. In 2017, he was a Visiting Scholar with the Future Energy Electronics Center, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, USA. His current research interests include high-power dc-dc converters, dc-ac inverters, Z-source inverters, and power conversion for electric vehicles and wind power generation.


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Heung-Geun Kim was born in Busan, South Korea, in 1956. He received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Seoul National University, Seoul, South Korea, in 1980, 1982 and 1988, respectively. Since 1984, he has been with the Department of Electrical Engineering, Kyungpook National University, Daegu, South Korea, where he is currently a Full Professor and the Director of the Microgrid Research Center. From 1990 to 1991, he was a Visiting Scholar with the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA. From 2006 to 2007, he was with the Department of Electrical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI, USA. His current research interests include ac machine control, photovoltaic power generation and microgrid systems.