Harmonisa Tegangan Saluran ke Saluran dalam Sistem Tenaga Listrik

(1)

Harmonisa tegangan saluran-ke-saluran diturunkan sebagai berikut menggunakan deret Fourier. Mengingat satu setengah siklus tegangan saluranVrypada Gambar 9.7a,b atau Gambar 9.14a,b dan menggunakan Persamaan 9.4, dengan sumbu simetri dimana F (−T) =−F(T), ekspresi Fourier untukNtegangan harmonik saluran-ke-saluran Vrynditurunkan sebagai berikut:

Vryn=BN*dosa(N.ω.T) (9.5)

Koefisien

B

^Nditurunkan sebagai berikut:

-5π 12 7π 12

-

2

B

N

= π

* -

- ∫ (

^V^dc²

)

^.dosa

(

^N^.ω.^T

)

^.^D

(

^ω.^T

)

⁺

∫

^V^dc^.dosa

(

^N^.ω.^T

)

^.^D

(

^ω.^T

)

^-

-

^π12 ^{5π 12}

-

(9.6)

11π 12

+

_{7π 12}

∫ (

^V^dc ²

)

^.dosa⁽^N.ω.T⁾^.D⁽^ω.T⁾

Menyederhanakan Persamaan 9.6, kita mendapatkan persamaan berikut:

2V^dc.cos

(

^π.N6

)

B

N

= π.N

^{* --karena}

(

π.N4

)

^-karena

(

3π.N4

)

^-- (9.7) Nilai RMS tegangan saluran-ke-saluranVryditurunkan sebagai berikut:

- -

^π

-

/ 3 π2/ 5π/6

- -

1/2

1

Vry_rms= -

π

* -

∫

^(V^2dc^{/4)D(ωT) +}

∫ (V

²^dc⁾^D^(ω^T^{) +}

∫

⁽²/ 4)D(ωT)--

-- --

V

dc (9.8)

- - -

⁰ ^π/3 ^π/2

V

^dc

Vry_rms=

3

^(9.9)

Demikian pula, mengacu pada tegangan saluran ke tanah pada Gambar 9.6 dan 9.13 dan menggunakan Persamaan 9.2 dan mencatat bahwa setiap transisi dari satu tingkat ke tingkat berikutnya memiliki jarak yang sama pada interval π/2 rad, nilai RMS tegangan saluran ke tanahV^rgdiberikan oleh persamaan:

- -

^π ^2π

- -

1/2

Vrg_rms= -

1

* -

∫

^(V^2dc^{/4)D(ωT) +}

∫

^(V²/ 4)D(ωT)--

-2π - -

^dc

--

^(9.10)

-

^π/2 ^3π/2

--

V

^dc

Vrg_rms=

2 * 2

^(9.11)

(2)

Jadi, untuk tegangan sambungan DC 381 V, nilai dariVry_rmsDanVrg_rmsbekerja masing-masing menjadi 220 V dan 134,7 V.

THD tegangan saluran-ke-saluran inverter tiga fasa tiga tingkat dapat dinyatakan sebagai berikut:

(V^dc/ 3.Vdc

3)

2

/π)

²

THDdari Vry

= - 1

(

(9.12)

=30,9%

9.6 Nilai RMS dan THD Tegangan Fase-ke- Tanah Inverter TPFLCHB

Dari Tabel 9.7 terlihat jelas bahwa masing-masing lima level tegangan merupakan tegangan fasa ke tanahayAgustusmemiliki durasi π/4 rad. Mengacu pada Gambar 9.16b atau Gambar 9.20, menggambar sumbu vertikal di tengah-tengah garis yang bersesuaian dengan 0 V, terlihat bahwaF(+T) =−F(−T) dan ekspresi Fourier untukNharmonik dariayAgn

dapat diungkapkan sebagai berikut:

VAgn=BN*dosa(N.ω.T) (9.13) KoefisienB^Nditurunkan sebagai berikut:

-^+π/8 ^{+ 3π/8}

BN= * -

2 - ∫

-−π/8 0 *D(ω.T) ++ π/8

∫

^V^dc^*dosa(^N^{. .}

ω

^T^)*^D^(ω.^T⁾

+ 5π/8

+ ∫

^2.^V^dc^*dosa(^N^.ω.^T^)*^D^(ω.^T⁾ ^(9.14)

+ 3π/8

+ 7π/8 + π

-

+ ∫

^V^dc^*dosa(^N^.ω.^T^)*^D^(ω.^T^{) +}

∫

^{0 *D(ω.T)-}

-

+ 5π/8 + 7π/8

Persamaan 9.14 disederhanakan menjadi berikut:

2 *V^dc

-

* -karena --N.π - -3.N.π -

- +karena - -5.N.π - -7.N.π --

- −karena -

B

N

=

- −karena -

- - ----

^(9.15)

N.π - -

-

8 - - 8 8 - - 8

2 *V^dc* -karena -

N.π - -

- N.π 8 -

- +karena -

-

3.N.π

- -

5.N.π -

- −karena --7.N.π --

V^Agn= - −karena -

- - ----

- 8 8 - - 8

_(9.16)

* dosa(N.ω.T)

(3)

VAgustus1_rms=1,1765*Vdc (9.17) Nilai RMS dari tegangan fasa ke tanahVAg_rmsdapat diturunkan dari Gambar 9.16b atau Gambar 9.20, sebagai berikut:

- -2 -

^π/4 ^π/2

V^Agustus^_^rms=

- π

* -

- ∫

^{0 *}^D^(ω.^T^{) +}

∫ V

²^dc^*^D^(ω.^T⁾

- --

0 π/4

(9.18)

1

3π/4 π

-

²

+ ∫

^4.V²^dc^{*D(ω.T) +}

∫ V

²^dc^*^D^(ω.^T^)-

-

π/2 3π/4

Persamaan 9.18 disederhanakan menjadi berikut:

3

V^Agustus_rms=

2 *V

dc (9.19)

THD dariV^Agustusditurunkan sebagai berikut:

- - - - -

-1,2249*V

THDdari V= -

-1.1 6

dc-2

Agustus

1

7 5 -

*V-

dc

-

^(9.20)

=0,2898 per satuannya

9.7 Metode Modulasi Lebar Pulsa untuk Konverter Bertingkat

Metode yang digunakan untuk PWM inverter dua tingkat konvensional dapat diperluas untuk konverter bertingkat [10-11]. Tiga metode PWM yang digunakan untuk konverter bertingkat dapat diklasifikasikan sebagai (1) PWM sinus berbasis pembawa bertingkat atau PWM sinus multi-pembawa; (2) PWM eliminasi harmonik selektif; dan (3) PWM vektor ruang bertingkat.

Metode PWM sinus berbasis multi-carrier dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok:

(1) PWM pergeseran fase sinus multi-pembawa (MSPSPWM) dan (2) PWM pergeseran fase sinus multi-pembawa (MSLSPWM). Dalam metode ini, tergantung pada level tegangan konverter bertingkat, pembawa segitiga mempunyai nilai puncak yang samaAC

dan frekuensi pembawaFCHz digeser fasenya atau digeser level tegangannya dan kemudian dibandingkan dengan sinyal referensi gelombang sinus atau sinyal modulasi yang nilai puncaknya adalahAMdan frekuensiFMHz dan berpusat pada nol

(4)

di tengah set pembawa segitiga. Sinyal gelombang sinus referensi dibandingkan dengan masing-masing sinyal pembawa segitiga. Jika sinyal pembawa lebih kecil dari sinyal referensi sinus, maka saklar yang berhubungan dengan pembawa tersebut akan ON, dan jika sinyal pembawa lebih besar dari sinyal referensi sinus, saklar yang bersangkutan akan OFF. Pada konverter bertingkat mempunyai tingkat tegangan keluaranM, indeks modulasi amplitudo dan modulasi frekuensiMADanMF

didefinisikan sebagai berikut:

A

M A

(

M-1

)

*A^C

M=

(9.21)

F

C

F

M

F

=

(9.22)

Pada bab ini, model sistem interaktif untuk kedua jenis MSPWM disajikan.

Model yang dikembangkan cocok untuk DCTLI tiga fase, FCTLI dan TPFLCHBI.

9.7.1 PWM Pergeseran Fase Sinus Multi-Pembawa

Dalam metode ini, pembawa segitiga identik masing-masing dengan nilai puncak +1 dan −1 V dan frekuensi

F

^CHz digeser dalam fase satu sama lain sebesar 360/

k

atau 180/

k

, Di mana

k

adalah jumlah pembawa segitiga yang digunakan. Nilai dari

k

didasarkan pada level tegangan keluaran konverter bertingkat. Untuk DCTLI dan FCTLI tiga fasa, digunakan dua pembawa segitiga.

Untuk TPFLCHBI, diperlukan empat pembawa segitiga. Banyaknya pembawa segitiga yang diperlukan diberikan oleh (

M

-1), dimana

M

adalah tingkat tegangan keluaran fasa ke tanah.

Model interaktif generator MSPSPWM ditunjukkan pada Gambar 9.21, beserta kotak dialognya. Tersedia hingga lima pembawa segitiga, cocok untuk DCTLI, FCTLI, dan FLCHBI tiga fase. Subsistem bagian dalam ditunjukkan pada Gambar 9.22a,b. Mengacu pada Gambar 9.21, kedua subsistem tersebut adalah 'Generator Pembawa Pergeseran Fasa Multi-Segitiga' dan 'Generator Sinyal Modulasi Sinus Tiga Fasa PWM Pergeseran Fasa Multi-Pembawa'. Skema subsistem sebelumnya dan subsistem terakhir ditunjukkan pada Gambar 9.22a,b.

Segmen Program 9.1

fungsi [va,vb,vc] = fcn(vm,f,t) va = vm*sin(2*pi*f*t);

vb = vm*dosa(2*pi*f*t - 2*pi/(3)); vc = vm*dosa(2*pi*f*t + 2*pi/(3));

Gambar 9.22a menghasilkan pembawa segitiga pergeseran fasa masing-masing dengan puncak positif dan negatif masing-masing +1 dan −1 V. 'Generator Pulsa'

(5)

GAMBAR 9.21

Generator MCSPSPWM dengan blok interaktif.

dan kotak dialog 'Transport Delay1' ditunjukkan pada Gambar 9.22a. Amplitudo pulsa yang dimasukkan adalah 'vsqm' dan frekuensi yang dimasukkan dalam hertz adalah 'fc', yang sesuai dengan frekuensi pembawa segitiga. Input ke mux adalah amplitudo pulsa vsqm dan konstanta vsqm/2. Kedua nilai ini dikurangi menggunakan blok Fcn6 dan keluaran yang dihasilkan diteruskan ke blok Fungsi Transfer 1/C.S, Di manaCadalah sebuah konstanta. Output dari blok Transfer Fcn adalah pembawa segitiga dengan frekuensiFCHz, nilai puncakaypuncakdan nilai minimum nol. Pembawa segitiga ini adalah masukannyakamuke blok Fcn7 yang melakukan operasi (kamu–k1) *k2, dimanak1=ay

puncak/2 dank2=1/k1. Output dari blok Fcn7 adalah pembawa segitiga yang mempunyai

frekuensiFCHz, puncak positif +1 V dan puncak negatif

− 1 V. KonstantaCdihitung menggunakan rumusaypuncak=(vsqm/2) * (TC/2) * 1/C, Di manaTC=1/FCadalah periode pembawa.

Blok Transport Delay1 hingga 4 menghasilkan pergeseran fasa yang diperlukan dari pembawa segitiga referensi. Kotak dialog untuk blok Transport Delay1 ditunjukkan pada Gambar 9.22a. Di sini, Waktu Tunda dimasukkan sebagai '1/(n*fc)', di mana n adalah konstanta bilangan bulat, bergantung pada jumlah pembawa segitiga pergeseran fasa yang diperlukan. Nilai 1 untukNtidak menimbulkan pergeseran fasa. NilaiN=2,3,4 membuat total dua, tiga dan empat pembawa segitiga, masing-masing fasa digeser sebesar 180°,120°dan 90°,masing-masing.

(6)

(A) GAMBAR 9.22 Generator multi-operator (a) dengan blok interaktif.

(7)

0

1 ln1

Q1, S1A 1 Keluar1≤

3 ln3 S3A vmQ1_BAR≤16 Keluar16vmya3 Keluar310 Keluar10

2 ln2

Q2, S2A 2 Keluar2

Beralih1

4 ln4

S4A ≤≤17 Keluar17FFvbQ2_BAR fcn4 Keluar 4 5

11 Keluar11Q5

5 ln5

Tvc≤6 Keluar6Beralih2≤18 Keluar18Q5_BAR Keluar5Jam12 Keluar12fungsi MATLAB Q6Beralih3 ≤7 Keluar7Q6_BAR 13 Keluar13Q9Beralih4 ≤8 Keluar8Q9_BAR 14 Keluar14Q10Beralih5 ≤9 Keluar9Q10_BAR Relasional operator615 Keluar15 (B)1Beralih6 GAMBAR 9.22 Generator PWM sinus multi-pembawa (b).

(8)

Gambar 9.22b menunjukkan model generator PWM sinus multi-carrier, yang kotak dialognya ditunjukkan pada Gambar 9.21. MATLAB®fungsi menghasilkan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase dengan nilai puncak 'vm' (0,8 V) dan frekuensi 'F' (50 Hz) sesuai kode yang diberikan dalam Segmen Program 9.1.

Masing-masing pembawa segitiga dan sinyal modulasi gelombang sinus

dibandingkan dalam blok Operator Relasional untuk mendapatkan pulsa gerbang untuk sakelar konverter bertingkat. Untuk DCTLI dan FCTLI tiga fasa, pulsa gerbang ini juga dibalik menggunakan gerbang NOT bertanda Switch1 ke Switch6 pada Gambar 9.22b. Untuk DCTLI, Q3g = (~Q1g) dan Q2g = (~Q4g), di mana akhiran tambahan g berarti pulsa gerbang dari masing-masing sakelar dan simbol tilde (~) berarti operasi logika NOT. Demikian pula untuk FCTLI, Q4g = (~Q1g) dan Q3g = (~Q2g). Untuk TPFLCHBI, keluaran gerbang NOT ini tidak diperlukan. Pengoperasian Switch1 hingga Switch6 sebagai gerbang NOT akan dijelaskan selanjutnya.

Merujuk pada Switch1 hingga Switch6 pada Gambar 9.22b terlihat adanya input pertama kamu(1) dan masukan ketigakamu(3) adalah 0 dan 1, sedangkan input kontrolkamu(2) adalah pulsa gerbang dari masing-masing blok Operator Relasional. Semua sakelar dari 1 hingga 6 memiliki nilai ambang batas 0,5 dan keluarankamu(1) kapankamu(2) lebih besar dari atau sama dengan 0,5 dan keluarankamu(3) kapankamu(2) kurang dari 0,5. Jadi, ketika pulsa gerbang ke masing-masing Switch1 dan Switch6 adalah HIGH (logika 1), outputnya adalah 0 (LOW), dan ketika pulsa gerbang ini LOW (logika 0), outputnya adalah 1 (HIGH).

9.7.2 Hasil Simulasi

Simulasi model generator MSPSPWM dilakukan dengan menggunakan solver ode23t (mod. rigid/trapezoidal) [9]. Amplitudo dan frekuensi puncak

gelombang sinus yang digunakan adalah 0,8 dan 50°Hz masing-masing.

Frekuensi pembawa segitiga adalah 10°kHz. Hasil simulasi gate pulse pada Phase R DCTLI dan FCTLI tiga fasa ditunjukkan pada Gambar 9.23a dan b dan untuk FLCHBI tiga fasa ditunjukkan pada Gambar 9.23c dan d.

9.7.3 PWM Pergeseran Tingkat Sinus Multi-Pembawa

Dalam metode multi-carrier sine level shift PWM (MSLSPWM), operator segitiga identik dengan frekuensi yang sama (FCHz) dan amplitudo +1 V digeser levelnya.

Pembawa segitiga ini menempati posisi simetris di atas dan di bawah relatif terhadapX-sumbu atau sumbu tingkat nol. Sinyal modulasi gelombang sinus dipusatkan di sepanjang sumbu tingkat nol.

Model generator MSLSPWM ditunjukkan pada Gambar 9.24a–d. Masing-masing menghasilkan jenis pola pembawa yang berbeda untuk MSLSPWM. Model yang sama dengan blok interaktif ditunjukkan pada Gambar 9.25. Subsistem internal model ditunjukkan pada Gambar 9.26a,b.

Kotak dialog yang berkaitan dengan subsistem 'Generator PWM Pembawa Multi- Segitiga' dan 'Generator PWM Sinus Tiga Fase Pergeseran Tingkat Multi-Pembawa' ditunjukkan pada Gambar 9.25. Metode menghasilkan segitiga bergeser level

(9)

(A) (B)

(C) (D)

GAMBAR 9.23

MCSPSPWM. (a) Dua pembawa segitiga 10 kHz dan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase 50 Hz. (b) Pulsa gerbang untuk Fase R DCTLI dan FCTLI tiga fase. (c) Empat pembawa segitiga 10 kHz dan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase 50 Hz.

pembawa ditunjukkan pada Gambar 9.26a dan blok generator pulsa gerbang PWM sinus tiga fase MSLSPWM ditunjukkan pada Gambar 9.26b. Pada Gambar 9.25, di kotak dialog 'Generator PWM Pembawa Multi-Segitiga', data relevan yang berkaitan dengan nilai puncak pulsa persegiaymeter persegi, frekuensi KarirFCHz dan konstanta integratorCdan nilai puncak pembawa segitiga dimasukkan. Dalam kotak dialog 'Generator PWM Sinus Tiga Fase Pergeseran Tingkat Multi-Pembawa', data yang berkaitan dengan amplitudo dan frekuensi gelombang sinus modulasi dimasukkan.

Gambar 9.26a menunjukkan model untuk menghasilkan pembawa segitiga dengan puncak +1 V, nilai minimum nol dan frekuensiFCHz. Kotak dialog Pulse Generator dan Transport Delay ditunjukkan pada Gambar 9.26a. Amplitudo pulsa yang dimasukkan adalah 'vsqm' dan frekuensi yang dimasukkan dalam hertz adalah 'fc', yang sesuai dengan frekuensi pembawa segitiga. Input ke mux adalah amplitudo pulsa vsqm dan konstanta vsqm/2. Kedua nilai ini dikurangi menggunakan

(10)

Pergeseran level sinus multi-pembawa Generator pola PWM1 Pergeseran level sinus multi-pembawa Generator pola PWM3

Pergeseran level sinus multi-pembawa Generator pola PWM4Pergeseran level sinus multi-pembawa Generator pola2 PWM Keluar1Keluar1Keluar1Keluar1 Keluaran Multi-operator2 pergeseran tingkat generator

Keluar2 Multi-operator pergeseran tingkat generator

Keluar2Keluaran Multi-operator2 pergeseran tingkat generator

Multi-operator pergeseran tingkat generatorKeluar3 Keluar3Keluar3Keluar3 Keluar4 Keluar4Keluar4Keluar4 Subsistem Subsistem1Su bsistem4Kapal selam sistem6 Dalam1Keluar1Keluar2Keluar3

Dalam1Keluar1Keluar2Keluar3Multi-carrierOut4

Dalam1Keluar1Keluar2Keluar3

Keluar1Keluar2Keluar3

Dalam1 Multi-carrierOut4Keluar5Multi-carrierOut4 pergeseran tingkat Keluaran Multi-operator4Keluar5Dalam2Keluar5Keluar6Keluar7Keluaran tiga fase8

Dalam2Keluar5pergeseran level Keluar6Pergeseran tingkat masuk2 Keluar6Keluar7tiga faseOut8

Pergeseran tingkat dalam2Keluar6Keluar7Keluaran tiga fase8tiga faseOut7Keluar8sinus PWM Keluar9Keluar10generatorOut11

sinus PWM Keluar9Keluar10sinus PWM Keluar9Keluar10Dalam3Dalam3sinus PWM Keluar9Keluar10Dalam3generatorOut11Keluar12 Dalam3 generatorOut11Keluar12generator Keluar11Keluar12

Keluar12 Keluar13 Keluar14 Keluar15 Keluar13 Keluar14 Keluar15

Keluar13 Keluar14 Keluar15 Keluar13 Keluar14 Keluar15

Dalam4Dalam4Dalam4Dalam4 Subsistem5Subsistem3Subsistem7 Subsistem2 (A)(B)(C)(D) GAMBAR 9.24 (a – d) generator pulsa gerbang MCSLSPWM.

(11)

GAMBAR 9.25 Generator pulsa gerbang MCSLSPWM dengan blok interaktif.

(12)

(A) GAMBAR 9.26 MCSLSPWM. (a) Generator pembawa.

(13)

(B) GAMBAR 9.26 MCSLSPWM. (b) Generator pulsa gerbang.

(14)

blok Fcn6 dan output yang dihasilkan diteruskan ke blok Fungsi Transfer 1/

C

.

S

, Di mana

C

adalah sebuah konstanta. Output dari blok Transfer Fcn adalah pembawa segitiga dengan frekuensi

F

^CHz, nilai puncak

ay

^puncakdan nilai minimum nol. Konstan

C

dihitung menggunakan rumus

ay

^puncak= (vsqm/2) * (

T

^C/2) * (1/

C

), Di mana

T

^C=1/

F

^Cadalah periode pembawa. Output dari blok Transfer Fcn adalah pembawa segitiga dengan nilai puncak +1 V, nilai minimum nol dan frekuensi

F

CHz.

Pada kotak dialog Transport Delay dan Transport Delay1, waktu tunda yang dimasukkan adalah '1/(2*fc)'. Output pembawa segitiga dari blok Transfer Fcn ditambahkan dengan 1 *aypuncak, dikurangi dari 1 *aypuncakdan 2 *aypuncakdan tertunda 1/(2 *FC) dengan dua blok Transport Delay untuk mendapatkan empat pola

pembawa segitiga yang berbeda. Gambar 9.26a sesuai dengan pola pembawa B pada Gambar 9.24. Pola pembawa pada Gambar 9.24a memilikiTIDAKBlok Penundaan Transportasi. Pola pembawa C dan D pada Gambar 9.24 dihasilkan dengan merelokasi posisi blok Transport Delay dan Transport Delay1 pada Gambar 9.26a. Mengacu pada Gambar 9.26a, dengan merelokasi blok Transport Delay dan Transport Delay1 ke output blok Add dan Subtract1 menghasilkan satu pola pembawa tambahan, dan merelokasikannya ke output blok Subtract dan Subtract1 menghasilkan pola tambahan kedua.

Gambar 9.26b menunjukkan model generator pulsa gerbang MSLSPWM untuk sakelar konverter bertingkat, menggunakan blok Fungsi MATLAB dan Operator Relasional. Model ini sama dengan yang telah dijelaskan pada Bagian 9.7.1.

9.7.4 Hasil Simulasi

Simulasi model generator MSLSPWM dilakukan dengan menggunakan solver ode23t (mod.stiff/trapezoidal) [9]. Hasil simulasi untuk pembawa segitiga dengan gelombang sinus modulasi tiga fase dan pulsa gerbang untuk Fase A TPFLCHBI ditunjukkan pada Gambar 9.27a – h. Frekuensi pembawa segitiga adalah 10 kHz. Sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase memiliki amplitudo 1,5 V dan frekuensi 50 Hz. Untuk DCTLI dan FCTLI tiga fasa, dua pembawa di atas dan di bawah

X

-sumbu dengan puncak gelombang sinus di bawah +1 V bersama dengan gerbang NOT harus digunakan, seperti dijelaskan pada Bagian 9.7.1.

9.8 Kesimpulan

Model sistem DCTLI tiga fase, FCTLI dan FLCHBI telah berhasil dikembangkan.

Dalam ketiga model ini, interval waktu untuk semua level tegangan adalah sama. Dengan mengurangi durasi waktu untuk level tegangan nol ke nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan dua level tegangan lainnya

(15)

(A) (B)

(C) (D)

GAMBAR 9.27

(a) Pola pembawa segitiga A dengan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase (kiri). (b) Pulsa gerbang fase A untuk sakelar TPFLCHBI (kanan). (c) Pola pembawa segitiga B dengan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase (kiri). (d) Pulsa gerbang fase A untuk sakelar TPFLCHBI (kanan).

mungkin untuk mengurangi THD tegangan saluran-ke-saluran dan meningkatkan spektrum harmoniknya lebih jauh lagi [5]. THD tegangan saluran-ke-saluran untuk inverter tiga fasa tiga tingkat konvensional dengan durasi waktu yang sama untuk ketiga tingkat tegangan adalah 31,08% [5]. THD tegangan saluran-ke-saluran berdasarkan simulasi untuk DCTLI ini ditemukan sekitar 30,82% dan untuk FCTLI masing-masing ditemukan 30,52%, sedangkan nilai yang dihitung adalah 30,9%.

Tegangan saluran-ke-saluran RMS untuk DCTLI dan FCTLI sesuai dengan rumus yang diberikan oleh Persamaan 9.7 dan 9.8. THD tegangan fasa ke tanah TPFLCHBI ditemukan sebesar 28,98%, sedangkan dengan simulasi model nilainya adalah 29,02%. Demikian pula, nilai RMS tegangan fasa ke tanah TPFLCHBI ditemukan sebesar 122,49 V melalui derivasi, sedangkan nilai ini adalah 122,5 V melalui simulasi model. Hal ini juga terlihat dari Gambar 9.1, 9.8 dan 9.15 bahwa tekanan tegangan pada masing-masing sakelar semikonduktor berkurang untuk tegangan tautan DC tertentu untuk dua topologi sebelumnya dan untuk keluaran tertentu.

(16)

(e) (F )

(G) (H)

GAMBAR 9.27

(e) Pola pembawa segitiga C dengan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase (kiri). (f) Pulsa gerbang Fase A untuk sakelar TPFLCHBI (kanan). (g) Pola segitiga D dengan sinyal modulasi gelombang sinus tiga fase (kiri). (h) Pulsa gerbang untuk sakelar Fase A TPFLCHBI (kanan).

tegangan untuk topologi ketiga, dibandingkan dengan inverter dua tingkat tiga fase konvensional. Karena teknik PWM pembawa segitiga bertingkat digunakan untuk kontrol tegangan konverter bertingkat, disajikan bagian pengembangan model interaktif untuk teknik MSPSPWM dan MSLSPWM beserta hasil simulasinya.

Referensi

1. C. Hochgraf, R. Lasseter, D. Divan, dan TA Lipo: “Perbandingan inverter bertingkat untuk kompensasi VAR statis”,IEEE; Pertemuan Tahunan Masyarakat Aplikasi Industri, Denver, CO, 1994; hal.921–928.

(17)

bertingkat dengan sumber DC terpisah untuk pembangkitan var statis”, Aplikasi Industri Transaksi IEEE; Jil. 32, Nomor 5, September/Oktober 1996;

hlm.1130–1133.

4. J. Rodriguez, JS Lai dan FZ Peng: “Inverter bertingkat: Survei kontrol topologi dan aplikasi”,Transaksi IEEE pada Elektronika Industri; Vol.49, No.4, Agustus 2002; hal.724–738.

5. PM Bhagwat dan VR Stefanovic: “Struktur umum inverter PWM bertingkat”, Transaksi IEEE pada Aplikasi Industri; Vol.IA-19, No.6, November/Desember 1983; hlm.1057–1069.

6. A. Nabae, I. Takahashi, dan H. Akagi: “Inverter PWM penjepit titik netral”, Transaksi IEEE pada Aplikasi Industri; Vol.IA-17, No.5, September/Oktober 1981; hal.518–523.

7. Perangkat Lunak Spektrum: MICROCAP 11, versi Demo, 2016.

8. The Mathworks Inc.: Catatan Rilis MATLAB/Simulink, R2016b, 2016.

9. NPR Iyer: “Modul MATLAB/Simulink untuk pemodelan dan simulasi konverter elektronika daya dan penggerak listrik”, tesis ME (penelitian), University of Technology Sydney, NSW, Australia, Bab 12, 2006.

10. JW Dixon: “Konverter bertingkat” diKonverter Elektronik Daya dan Batasan dan Aplikasi Sistem, Ed. AM Trzynadlowski, London: Institusi Teknik dan Teknologi, 2016, hlm.43–72.

11. S. Khomfoi dan LM Tolbert: “Konverter daya bertingkat” diBuku Pegangan

Elektronika Daya, Ed. MH Rashid, Burlington, MA: Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2011, hlm.455–484.

(18)

10

Verifikasi Model Interaktif

10.1 Pendahuluan

Dalam bab ini, disajikan model tingkat komponen interaktif untuk konverter elektronika daya yang dibahas pada bab sebelumnya. Ini dikembangkan menggunakan komponen aktif dan pasif yang digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti sakelar semikonduktor, dioda, sumber AC, sumber DC dan komponen pasif seperti resistor, induktor dan kapasitor. Komponen aktif dan pasif ini sebagian besar berasal dari blok Sistem Tenaga yang diatur di Simulink^®[1]. Hasil simulasi model tingkat komponen yang disajikan di sini memberikan verifikasi hasil simulasi model sistem konverter elektronika daya yang telah dibahas pada bab sebelumnya.

10.2 Konverter AC ke DC

Pada bagian ini, model tingkat komponen interaktif untuk penyearah jembatan dioda gelombang penuh satu fasa (SFWDBR), konverter penyearah silikon terkontrol gelombang penuh satu fasa (SCR) dan penyearah jembatan dioda gelombang penuh tiga fasa (TFWDBR) dibahas di Bab 3 disajikan [2–5].

10.2.1 Penyearah Jembatan Dioda Gelombang Penuh Satu Fasa

Model sistem SFWDBR yang disajikan pada Bagian 3.1 diverifikasi di bagian ini menggunakan model tingkat komponen interaktif [2–5]. Data yang ditunjukkan pada Tabel 3.1 digunakan di sini. Model dengan blok interaktif ini ditunjukkan pada Gambar 10.1. Subsirkuit bagian dalam SFWDBR yang terdiri dari jembatan dioda semikonduktor dan beban resistif/RLE murni ditunjukkan pada Gambar 10.2a,b. Hasil simulasi untuk SFWDBR ditunjukkan pada Gambar 10.3 untuk beban RLE dan ditabulasikan pada Tabel 10.1, yang sangat sesuai dengan Tabel 3.2.

Hasil simulasi untuk SFWDBR dengan beban resistif murni dapat ditemukan dengan cara yang sama dan tidak ditampilkan di sini.

253

(19)

GAMBAR 10.1

Model SFWDBR dengan blok interaktif.

10.2.2 Jembatan SCR Gelombang Penuh Satu Fasa

Skema rangkaian penyearah jembatan terkendali gelombang penuh satu fasa (SFWCBR) ditunjukkan pada Gambar 3.7 dan penurunan tegangan dan arus keluaran untuk beban resistif murni dan beban RLE ditunjukkan pada Bagian 3.2 [2–5]. Pada bagian ini, model tingkat komponen untuk SFWCBR dikembangkan dan simulasi dilakukan untuk beban RLE sesuai data yang diberikan pada Tabel 3.3 dan dibandingkan.

Model SFWCBR ini ditunjukkan pada Gambar 10.4 dan blok interaktif ditunjukkan pada Gambar 10.5. Subsistem untuk model ini ditunjukkan pada Gambar 10.6a–e.

Gambar 10.6a adalah penyearah jembatan thyristor gelombang penuh satu fasa, Gambar 10.6b adalah generator pulsa pemicu gerbang thyristor menggunakan blok Generator Pulsa, Gambar 10.6c adalah beban R/RLE, Gambar 10.6d memilih R atau RLE beban dan Gambar 10.6e adalah satuan pengukuran tegangan dan arus keluaran.

Mengacu pada Gambar 10.6d, jika konstanta yang dimasukkan adalah nol, maka sakelar yang nilai ambangnya 0,5 menghasilkan keluaran −1 dan pembanding logika di atas bertanda '<0' menjadi TINGGI dan menyalakan S2, memilih beban RLE. Jika konstanta yang dimasukkan adalah 1, maka komparator logika bawah bertanda '>0' keluaran menjadi TINGGI, menyalakan S1 dan memilih beban resistif murni.

Hasil simulasi beban RLE ditunjukkan pada Gambar 10.7. Hasilnya ditabulasikan pada Tabel 10.2. Hasil simulasi untuk beban resistif murni tidak ditampilkan di sini. Hasil simulasi pada Tabel 10.2 sangat sesuai dengan hasil simulasi pada Tabel 3.4.

10.2.3 Penyearah Jembatan Dioda Gelombang Penuh Tiga Fasa

TFWDBR yang dibahas di Bagian 3.3 disajikan di sini dengan model tingkat

komponen. Konfigurasi rangkaian TFWDBR ditunjukkan pada Gambar 3.13

[2–5]. Parameter model ditunjukkan pada Tabel 3.5. Model ini

(20)

1 Sambungan1Terminator1Terminator3 EE Dioda1Dioda32 Sambungan2 2Sambungan2+ 1Sambungan1 3+ Sambungan3Terminator4Terminator2Cabang seri RLC EECabang RLC seri1Dioda4Dioda2 3 Sambungan3 4 Sambungan4 (A) + Sumber tegangan DC (B) GAMBAR 10.2 Sub-sirkuit SFWDBR. (a) Penyearah dioda jembatan penuh. (b) RLE dan beban resistif murni.

k k

(21)

GAMBAR 10.3

SFWDBR: hasil simulasi untuk beban RLE.

TABEL 10.1

SFWDBR: Hasil Simulasi Beban RLE

sl. TIDAK.

1

Jenis Beban RLE

Udc(RMS) (V) 120

Udc(AVG) (V) 106.3

Saya_beban(AVG) (A)

38.5

TFWDBR ditunjukkan pada Gambar 10.8. Blok interaktif model ini dan subsistem dalamnya masing-masing ditunjukkan pada Gambar 10.9 dan Gambar 10.10a–c.

Penyearah dioda tiga fasa adalah model bawaan dari rangkaian blok Sistem Tenaga.

Ini ditandai 'Penyearah' pada Gambar 10.8. Sumber tegangan AC tiga fasa, beban resistif, dan blok pengukuran masing-masing ditunjukkan pada Gambar 10.10a–c.

Hasil simulasi model ini masing-masing ditunjukkan pada Gambar 10.11a,b.

Hasilnya ditabulasikan pada Tabel 10.3. Hasil simulasi pada Tabel 10.3 sangat sesuai dengan hasil simulasi pada Tabel 3.6.

10.3 Konverter DC ke AC

Pada bagian ini, model tingkat komponen interaktif dikembangkan menggunakan semikonduktor dan komponen pasif untuk tiga fase 180°

modus dan 120° mode inverter dibahas dalam Bab 4 [2–5]. Model tingkat

komponen inverter modulasi lebar pulsa sinus (PWM) tiga fase disajikan

pada Bagian 10.9. Hasil yang diperoleh simulasi tingkat komponen

dibandingkan dengan yang ada di Bab 4.

(22)

A

52.24Vo_RLE_AVGS PS Tampilan4 84.46PSSVo RLE RMS119.2Io_RLE_AVG – + – + – +

A B

Tampilan3Tampilan1 NPSSIo RLE RMS86,59 ~~ C Pemisah fase

S PSTampilan2 Dalam1 Dalam2 Dalam3 Dalam4

Keluar1 Keluar2Sumber tegangan Pengukuran-

Out3 Keluar4 Sambungan2 Sambungan4

catatanSambungan1memblokirSambungan3 Sambungan5 Sambungan7+PS S +Sambungan6 Sambungan8Sensor saat ini

+ V + V + V

–– Subsistem4 Vo RRPS S Sensor teganganPSSMS2.98e-07f(x) = 0Cakupan + vTampilan5 Pemecah konfigurasi1Sambungan1 Sambungan2 Sambungan3 Sambungan4

Sambungan1Murni resistif

Sambungan3PS SPS S1.306e-07Io_R_AVG Io_R_RMSGerbang detak generator

beban R/RLESambungan2Sambungan4Vsensor tegangan1Tampilan8 S PSPS S1.192e-08 + vPS STampilan6 4.991e-09S PSSubsistem1PSSIo_R_AVGSubsistem SPSTampilan7Tautan Simu PSSambungan2 Sambungan4 Sambungan5 Sambungan6 Sambungan7

Ruang Lingkup 1Sambungan1konverter6 120SPSRMSFase tunggal gelombang penuh thyristor menjembatani penyearah

MenampilkanSambungan3 Sambungan1 Sambungan 3 R/RLE pemilih bebanSambungan8Sambungan2 Subsistem3Subsistem2 GAMBAR 10.4 model SFWCBR.

ay –^Tegangan

Sensor4 Saat ini sensor1

V V

(23)

GAMBAR 10.5

Model SFWCBR dengan blok interaktif.

10.3.1 Inverter Mode Tiga Fasa 180°

Analisis terperinci dari tiga fase 180°mode inverter diberikan pada Bagian 4.2.

Model sistem untuk tiga fase 180°mode inverter disajikan pada Bagian 4.2.4. Di sini, model tingkat komponen interaktif untuk inverter ini dikembangkan menggunakan semikonduktor dan komponen pasif dalam kumpulan blok Sistem Tenaga; simulasi dilakukan dan dibandingkan dengan yang disajikan pada Bab 4.

Model tiga fase 180°mode inverter ditunjukkan pada Gambar 10.12, blok interaktif ditunjukkan pada Gambar 10.13 dan subsistem bagian dalam ditunjukkan pada Gambar 10.14a–c [2–5]. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 10.15a–d dan ditabulasikan pada Tabel 10.4.

Hasil tabulasi untuk tegangan saluran-ke-saluran sesuai dengan Tabel 4.1 dan 4.2.

10.3.2 Inverter Mode Tiga Fasa 120°

Analisis rinci dari tiga fase 120°mode inverter disajikan pada Bagian 4.3.

Model sistem terperinci untuk inverter ini juga disajikan pada Bagian 4.3.4.

Pada bagian ini, disajikan model tingkat komponen interaktif untuk inverter ini; simulasi dilakukan dan dibandingkan dengan yang diberikan pada Bagian 4.3.

Model inverter ini sama dengan 180°mode inverter ditunjukkan pada Gambar 10.12, 10.13 dan 10.14. Dalam 120 ini°mode, durasi pulsa gerbang hanya untuk (T/3) detik, dimanaTadalah periode peralihan inverter [2–5].

Mengacu pada Gambar 10.13, pada blok Gate Pulse Generator, pada kotak

'Masukkan Duty-cycle of gate pulse as a presentase', nilainya 33.3333

(24)

2 Sambungan21 Sambungan11 Sambungan12 Simulink-PS Sambungan2 Konverter1Simulink-PS Konverter31X1 Dalam1Keluar1 2Thyristor1Thyristor3X1 Sambungan1RMS2 Sambungan2Sambungan3 3Detak generatorDetak generator2

Keluar2Berarti Sambungan33RMS4 Sambungan42 Dalam2 Con4 Con54 5 6 7

3 Sambungan35 Sambungan5RMS6 Sambungan64 Simulink-PS Sambungan4 Konverter

Con6 Con7

Simulink-PS Konverter23 Dalam3X3 Keluar3 7 Sambungan7RMS8 Sambungan8Detak generator1Detak generator4 Dalam4X4 Keluar4(B) (e) Thyristor2Thyristor4 1Sambungan1 + Induktor2Sambungan21Sambungan1 ++2 Sambungan2 Mengubah< 01 PenghambatResistor1 8 Sambungan8k Ak A3 Sambungan3S2C (A)

+ –

S1 Mengalihkan – 1 4Sambungan43 Sambungan3

Mengubah> 0 (C) (D) GAMBAR 10.6 (a – e) subsistem SFWCBR.

– – SPS

SPS

– SPS

SPS

PSS SPs

(25)

GAMBAR 10.7

Hasil simulasi SFWCBR untuk beban RLE.

TABEL 10.2

SFWCBR : Hasil Simulasi dengan Beban RLE : Sudut Penembakan α = 60°

sl.

TIDAK.

Jenis

Beban Vdc(RMS) (V)

Vdc(Rata-Rata)

(V)

Saya_memuat(RMS)

(A)

Saya_memuat(AVG)

(A)

Merengut

(W)

1 RLE 119.2 52.24 86,59 84.46 4412.19

dimasukkan. Inverter tiga fasa yang sama kemudian bekerja sebagai 120°modus inverter.

Simulasi inverter ini dilakukan dan hasilnya disajikan pada Gambar 10.16a–d.

Hasilnya juga ditabulasikan pada Tabel 10.5. Hasil yang ditabulasikan pada Tabel 10.5 sangat sesuai dengan hasil yang ditabulasikan pada Tabel 4.3 dan 4.4.

10.4 Konverter DC ke DC

Pada bagian ini, model tingkat komponen interaktif untuk konverter buck, boost dan buckboost dikembangkan menggunakan semikonduktor dan komponen pasif [2–5,6,7]. Simulasi model ini dilakukan untuk konverter DC ke DC dan hasil yang diperoleh dibandingkan dengan yang disajikan pada Bab 5.

10.4.1 Konverter Uang

Analisis buck converter dalam mode konduksi kontinu (CCM) dan mode

konduksi terputus-putus (DCM) diberikan pada Bagian 5.2 dan 5.3. Data

yang diberikan pada Tabel 5.1 digunakan di sini untuk simulasi rangkaian

konverter buck. Model tingkat komponen dari buck converter

(26)

AC tiga fasa sumber tegangan dengan induktor sumber

A+ SEBUAH +– Sensor saat ini Referensi listrikB+ SubsistemkapasitasituSensor tegangan1 PSS– PSS – +++V VVVC CakupanTampilan1 f(x)=0Penyearah21.96 Pengukuran memblokirPemecah konfigurasi1

Tampilan4

Murni resistif ^memuat

505.2 Subsistem2Tampilan2 SPS SPSSubsistem1 SPS Tautan Simu PS menipubelukar eh6Lingkup2 220SPSRMS Menampilkan GAMBAR 10.8 Model TFWDBR.

V– ^Tegangan

Sensor4 –

– ⁺

V

(27)

GAMBAR 10.9

Model TFWDBR dengan blok interaktif.

Sumber tegangan AC1

1 Dalam1

Sumber tegangan AC2 +

Induktor1

1 ^Sambungan1 –

Sambungan2

3

Sambungan3

2 2 Dalam2

Sumber tegangan AC3 +

Induktor3

– 4

Sambungan4

1 Sambungan1

Berarti1

+ + Induktor2

– 8

Sambungan8

Resistor1 1

Keluar1

5

Sambungan5

6

Sambungan6

7

Sambungan7

2

Keluar2

2 Con2

(A) (B) (C)

GAMBAR 10.10

(a) Sumber tegangan AC tiga fasa dengan induktansi sumber. (b) beban R. (c) Satuan pengukuran.

ditunjukkan pada Gambar 10.17 dengan blok interaktif [6,7]. Subsistemnya ditunjukkan pada Gambar 10.18a,b. Simulasi buck converter ini dilakukan untuk parameter yang ditunjukkan pada Tabel 5.1. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 10.19 dan 10.20 masing-masing untuk CCM dan DCM. Hasil simulasi untuk kedua kasus ditabulasikan pada Tabel 10.5. Perbandingan hasil yang ditunjukkan pada Tabel 10.5 dengan Tabel 5.2 dan 5.3 menunjukkan bahwa keduanya hampir setuju. Perbedaannya kecil. Pada model ini, saklar semikonduktor mempunyai penurunan tegangan maju dan hambatan, sedangkan pada model sistem konverter buck, saklar tersebut ideal.

10.4.2 Konverter Peningkatan

Analisis boost converter pada CCM dan DCM ditunjukkan pada Bagian 5.5 dan 5.6. Data yang ditunjukkan pada Tabel 5.4 digunakan di sini untuk model ini.

Simulasi model tingkat komponen dilakukan untuk CCM dan DCM

– + – + – +

– τ τ

(28)

GAMBAR 10.11

TFWDBR: hasil simulasi. (a) Dengan filter kapasitor. (b) Tanpa kapasitor filter.

TABEL 10.3

Hasil Simulasi FWDBR Tiga Fase

Beban Rata-Rata Tegangan (V)

Beban Rata-Rata Saat ini (A)

sl. TIDAK.

1 2

Perkataan Tidak ada kapasitor filter

Dengan kapasitor filter 0,0011 F 506.7

505.4

22.03 21.97

dan hasil simulasi yang diperoleh dibandingkan dengan yang disajikan pada Bagian 5.7.1.

Model konverter boost dengan blok interaktif menggunakan sakelar

semikonduktor dan komponen pasif ditunjukkan pada Gambar 10.21, dan

subsistem model ini ditunjukkan pada Gambar 10.22 [6,7]. Hasil simulasi

model operasi CCM dan DCM ini masing-masing ditunjukkan pada Gambar

10.23 dan 10.24. Hasil simulasi ditabulasikan pada Tabel 10.6.