Üç Fazlı İnverterlerde Spwm ve Svpwm Modülasyon Tekniklerinin Matlab Simulink ile Karşılaştırmalı İncelenmesi ve Performans Değerlendirmesi

Öz

Bu çalışmada, üç fazlı gerilim kaynaklı inverterlerde sinüzoidal darbe genişlik modülasyonu (SPWM) ve uzay vektör darbe genişlik modülasyonu (SVPWM) tekniklerinin performansları MATLAB/Simulink ortamında karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Benzetim modelinde 400 V doğru gerilim beslemeli, iki seviyeli tam köprü inverter ve yıldız bağlı RL yük kullanılmış, modülasyon indeksleri 0.8, 0.9 ve 1.0 olarak seçilmiştir. Her iki modülasyon tekniği için hat gerilimi ve hat akımı dalga şekilleri, etkin (RMS) değerleri, temel bileşen genlikleri ve toplam harmonik bozulma (THD) değerleri hızlı Fourier dönüşümü yardımıyla analiz edilmiştir. Sonuçlar, SVPWM tekniğinin DC bara gerilimini daha verimli kullandığını ve tüm modülasyon indekslerinde SPWM’ye göre daha yüksek hat gerilimi ve hat akımı RMS değerleri ürettiğini göstermiştir. Gerilim temel bileşen genliklerinde yaklaşık %15’e varan artış sağlanırken, özellikle akım THD değerlerinde önemli azalmalar gözlenmiştir. SPWM tekniği ile elde edilen akım dalga şekilleri kabul edilebilir seviyede olmakla birlikte, SVPWM tekniği daha düşük harmonik içerik ve daha yüksek güç kalitesi sunmuştur. Çalışma sonucunda, yüksek verimlilik ve düşük distorsiyon gerektiren motor sürücüleri ve yenilenebilir enerji dönüştürücüleri gibi uygulamalarda SVPWM’in tercih edilmesi, basit yapı ve düşük hesaplama maliyetinin yeterli olduğu düşük güçlü sistemlerde ise SPWM’in kullanılmaya devam edilmesi önerilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• simülasyon analizi
• harmonik distorsiyon
• pwm
• motor sürücü sistemleri

Destekleyen Kurum

Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Proje Numarası

2024/6-4 D

Etik Beyan

Bu çalışma, herhangi bir insan veya hayvan deneyi içermemektedir. Çalışma tamamen sayısal analizler, simülasyonlar ve literatür taramasına dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Bu nedenle etik kurul onayı gerektirmemektedir.

Teşekkür

Bu çalışma, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından desteklenen 2024/6-4 D proje numaralı araştırma projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Sağladıkları maddi ve manevi desteklerden dolayı Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi'ne ve çalışmanın her aşamasında değerli katkı ve rehberliklerini esirgemeyen danışmanım Dr. Öğr. Üyesi Metin Salihmuhsin'e ve proje ekibine çok teşekkür ederim.

Comparative Analysis and Performance Evaluation of SPWM and SVPWM Modulation Techniques in Three-Phase Inverters Using MATLAB/Simulink

Öz

In this study, the performance of sinusoidal pulse width modulation (SPWM) and space vector pulse width modulation (SVPWM) techniques in three-phase voltage source inverters was comparatively investigated using MATLAB/Simulink. The simulation model consists of a two-level full-bridge inverter supplied by a 400 V DC bus and a star-connected RL load, with modulation indices selected as 0.8, 0.9 and 1.0. For both modulation strategies, line voltage and line current waveforms, root mean square (RMS) values, fundamental component amplitudes and total harmonic distortion (THD) values were obtained by means of fast Fourier transform analysis. The results indicate that SVPWM utilizes the DC bus voltage more effectively and produces higher RMS line voltage and line current values than SPWM for all modulation indices. An increase of up to about 15% was achieved in the fundamental components, while a significant reduction was observed particularly in current THD. Although SPWM provides acceptable current waveforms for the investigated operating conditions, SVPWM offers lower harmonic content and improved power quality. Consequently, SVPWM is recommended for applications requiring high efficiency and low distortion, such as motor drives and renewable energy converters, whereas SPWM remains a suitable option for low-power and cost-sensitive systems where simplicity and low computational burden are prioritized.

Anahtar Kelimeler

• three-phase inverter
• harmonic distortion
• pwm
• power quality
• motor drive systems

Destekleyen Kurum

KSÜ Scientific Research Projects Coordination Unit (SRPCU)

Proje Numarası

2024/6-4 D

Etik Beyan

This study does not involve any experiments on humans or animals. The research is entirely based on numerical analyses, simulations, and literature review. Therefore, ethics committee approval is not required.

Teşekkür

This study was carried out within the scope of the research project No. 2024/6-4 D, supported by the Kahramanmaraş Sütçü İmam University Scientific Research Projects Coordination Unit. I would like to express my sincere gratitude to Kahramanmaraş Sütçü İmam University for its financial and moral support, to my advisor Asst. Prof. Dr. Metin Salihmuhsin for his valuable guidance and contributions throughout all stages of the study, and to the project team for their efforts.

Kaynakça

1. Abed, J. K. (2023). Comparative study of SPWM and SVPWM techniques for the control of three-phase grid-connected inverter. Przegląd Elektrotechniczny, 99(5), 116–119.
2. Abdul Hafeez, A., Khalique, A., Ali, A., Sattar, A., Nawaz, A., Latif, S., & Ahmed, S. (2023). Comparative analysis of the PWM and SPWM on three-phase inverter through different loads and frequencies. Journal of Computer Biomedical Informatics, 4(2), 204–220.
3. Aboadla, E. H., Kadir, K., & Khan, S. (2024). Design and implementation of pulse width modulation gate control signals for two-level three-phase inverters. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, 13(2), 800–811. Acikgoz, H., Yildiz, C., Kale, G., Kececioglu, O. F., Gani, A., & Sekkeli, M. (2015).
4. Speed control of induction motor based on model reference adaptive control. In Proceedings of the 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO) (pp. 654–659). IEEE.
5. Asker, M. E., & Kılıç, H. (2017). Modulation index and switching frequency effect on symmetric regular sampled SPWM. European Journal of Technique, 7(2), 102–107.
6. Can, E., & Sayan, H. H. (2016). SSPWM three-phase inverter design and experimented on unbalanced loads. Tehnički Vjesnik, 23(5), 1239–1244.
7. Esa, M., & Nawaz, M. A. M. (2017). THD analysis of SPWM ve THPWM controlled three-phase voltage source inverter. International Research Journal of Engineering and Technology, 4(10), 391–396.
8. Evren, İ. (2018). Üç fazlı şebekeye bağlı inverterlerde LCL filtrelerin etkileri. Elektrik Mühendisleri Odası (EMO) Teknik Yayınları. https://www.emo.org.tr/ekler/3fce3c4c7a2bae1_ek.pdf

9. Fidan, İ., Dursun, M., & Fidan, Ş. (2019). Üç fazlı eviriciler için LCL filtre tasarımı ve deneysel analizi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(1), 580–592.
10. Guo, J., Ye, J., & Emadi, A. (2018). DC-link current and voltage ripple analysis considering antiparallel diode reverse recovery in voltage source inverters. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(6), 5171–5183.
11. Gupta, N., & Choubey, A. (2016). Harmonic distortion analysis of the output voltage in SPWM (unipolar) single-phase full bridge inverter. International Journal of Recent Research in Electrical and Electronics Engineering, 3(2), 34–38.
12. Hussein, T. A., & Mohammed, L. A. (2021). Detailed Simulink implementation for induction motor control based on space vector pulse width modulation (SVPWM). Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, 22(3), 1251–1262.
13. Jo, O. (2003). Chapter 4: Model of three-phase inverter. In Power Electronics and Drives (pp. 65–75). Tennessee Technological University.
14. Kılıç, E., Şit, S., Gani, A., Şekkeli, M., & Özçalık, H. R. (2017). Neuro-fuzzy based model reference adaptive control for induction motor drive. Turkish Journal of Fuzzy Systems, 8(2), 63–72.
15. Kızıldağ, U., & Salihmuhsin, M. (2025). Üç fazlı inverterlerde uzay vektör modülasyonu: Teorik temeller, simülasyon ve uygulamalar. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 12(2), 435–447.
16. Komma, L., & Vasa, R. (2014). Simulation and comparison of three-level inverter using SVPWM ve SPWM. International Journal of Electrical and Electronics Research, 2(3), 21–30.
17. Mirdas, Q. H., Yasin, N. M., & Alshamaa, N. K. (2023). Analytical comparison of SPWM ve SVPWM techniques for three-phase induction motor V/F speed control. AIP Conference Proceedings, 2804(1), 050035.
18. Mishan, R., Fu, X., Hingu, C., & Fajri, P. (2025). Analyzing frequency spectrum and total harmonic distortion for high switching frequency operation of GaN-based filter-less multilevel cascaded H-bridge inverter. e-Prime – Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, 11, 100906.
19. Rashid, M. H. (2017). Power electronics: Circuits, devices, and applications (4th ed.). Pearson.
20. Ruiz-Gonzalez, A., Meco-Gutierrez, M., Perez-Hidalgo, F., Vargas-Merino, F., & Heredia-Larrubia, J. R. (2024). PWM strategy with harmonics injection and modulated frequency triangular carrier: A review. arXiv. https://arxiv.org/abs/2401.14297
21. Singh, S., & Tiwari, A. N. (2017). Simulation and comparison of SPWM and SVPWM control for two-level inverter. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 6(8), 6485–6492.
22. Strobl, S. (2021). SVPWM vs SPWM modulation techniques. Imperix. https://imperix.com/doc/implementation/svpwm-vs-spwm-modulation-techniques (Erişim tarihi: 14 Ocak 2025).
23. Şit, S., Kılıç, E., Özçalık, H. R., Altun, M., & Gani, A. (2016). Model reference adaptive control based on RBF neural network for speed control of induction motors. International Conference on Natural Science and Engineering, 2064–2073.
24. U.S. Department of Energy. (2025). Solar integration: Inverters and grid services basics. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. https://www.energy.gov/eere/solar/solar-integration-inverters-and-grid-services-basics
25. Yousef, A. Y. (2015). Space vector pulse width modulation technique. International Journal of Emerging Technology in Computer Science and Electronics, 15(1), 159–165.
26. Yu, Y. (2024). Comparison of three-phase inverter modulation techniques: A comprehensive analysis of SPWM and SVPWM. Highlights in Science, Engineering and Technology, 97, 185–186.
27. Zhao, K., Zheng, J., Peng, C., & Lin, L. (2024). Common-mode voltage analyses for space vector PWM based on double Fourier series. Progress in Electromagnetics Research Letters, 121, 19–25.