Artikel
Pendekatan Terpadu untuk Analisis Konverter DC/AC, Berdasarkan kajian proses elektromagnetik secara berseri Sirkuit RLC
Nikolay Hinov
Kutipan: Hinov, N. Sebuah Terpadu Pendekatan analisis konverter DC/AC, berdasarkan studi Proses elektromagnetik dalam rangkaian RLC seri. Elektronik 2023, 12, 983.
https://doi.org/10.3390/
elektronik12040983
Editor Akademik: Salvador Alepuz dan Fabio Corti
Diterima: 31 Desember 2022 Direvisi: 30 Januari 2023 Diterima: 15 Februari 2023 Diterbitkan: 16 Februari 2023
Hak Cipta: © 2023 oleh penulis.
Penerima Lisensi MDPI, Basel, Swiss. Artikel ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan
di bawah syarat dan ketentuan lisensi Creative Commons Attribution (CC BY) (https://
creativecommons.org/licenses/by/
4.0/).
Departemen Elektronika Daya, Universitas Teknik Sofia, 1000 Sofia, Bulgaria; [email protected];
Telp.: +359-29652569
Abstrak: Makalah ini menyajikan pendekatan terpadu untuk analisis konverter DC/AC berdasarkan representasi setara dari rangkaian AC mereka sebagai rangkaian RLC seri.
Konverter DC/AC resonansi dengan dioda terbalik dipilih sebagai dasar pemeriksaan, dan rasio yang diperoleh untuk perangkat ini digunakan untuk mendapatkan rasio utama yang menggambarkan pengoperasian jenis konverter DC/AC lainnya— inverter sumber tegangan (VSI) dan inverter sumber arus (CSI). Berdasarkan kesamaan proses elektromagnetik dalam sirkuit daya, ekspresi untuk arus melalui induktansi dan tegangan kapasitor ditemukan dalam bentuk kompak dengan fase awalnya. Rasio dasar yang ditemukan melalui analisis dinormalisasi ke frekuensi kontrol, sehingga meringkas semua mode operasi yang mungkin.
Dengan cara ini, proses elektromagnetik di seluruh kelas perangkat elektronik daya dijelaskan dari posisi umum, yang nyaman dari sudut pandang metodis dengan maksud untuk meningkatkan pendidikan elektronika daya. Pendekatan analisis yang diusulkan juga berlaku untuk inverter DC/AC tiga fase, dengan mempertimbangkan spesifikasi yang terkait dengan keberadaan tiga fase dan, karenanya, pengaruh timbal balik mereka dalam pembentukan arus keluaran dan tegangan. Di sisi lain, rasio dasar yang ditentukan melalui penerapan pendekatan analisis terpadu juga berguna dengan maksud untuk menciptakan metodologi desain teknik, di mana nilai semua elemen sirkuit ditentukan dengan prosedur perhitungan yang relatif disederhanakan.
Kata kunci: Konverter DC/AC; pendekatan terpadu untuk analisis; inverter sumber tegangan; inverter sumber arus; inverter resonansi
1. Perkenalan
Energi adalah mesin kemajuan dan katalis bagi perkembangan masyarakat modern. Dalam aspek ini, korelasi antara revolusi industri dan cara
menggunakan, mengubah, dan menyimpan energi listrik diketahui.
Salah satu kriteria utama untuk perkembangan ekonomi dan teknologi negara tertentu adalah berapa bagian dari listrik yang dikonsumsi yang dikonversi dengan parameter selain dari jaringan listrik. Konversi energi yang efektif didasarkan pada penggunaan perangkat elektronik daya tunggal dan sistem yang terdiri dari berbagai jenis konverter. Salah satu skema daya yang paling banyak digunakan adalah konverter DC/AC, yang banyak digunakan di banyak bidang: energi, transportasi, pencahayaan hemat energi, industri—sebagai sumber daya dalam penerapan sejumlah besar teknologi kelistrikan, dan juga untuk kebutuhan rumah tangga.
s
elektronik
Dengan cara ini, pentingnya pilihan topologi yang optimal dan desain terkait sirkuit daya konverter DC/AC terbukti, karena ini adalah
masalah mengonversi daya besar, mencapai puluhan dan ratusan megawatt.
Hal di atas memberikan alasan untuk mengklaim bahwa pengembangan, pembuatan prototipe, implementasi, dan pengoperasian konverter DC/AC adalah bagian yang sangat relevan dan penting dari elektronika daya, dan analisis jenis perangkat elektronik daya ini adalah dasar pengembangan, desain, dan implementasinya.
Elektronika 2023, 12, 983. https://doi.org/10.3390/electronics12040983 https://www.mdpi.com/journal/electronics
Sejumlah klasifikasi konverter jenis ini diketahui, dan paling sering, menurut bentuk tegangan atau arus keluaran, mereka dibagi menjadi inverter sumber arus, inverter sumber tegangan dan inverter resonansi [1–4]. Fitur klasifikasi dasar lainnya adalah sifat proses elektromagnetik di sirkuit AC. Paling sering, proses resonansi berkembang di sana, dan dalam kasus yang lebih jarang—yang tidak periodik. Di sisi lain, munculnya perangkat daya dengan karakteristik dan parameter yang lebih baik, serta sirkuit dan sistem kontrol canggih, mengarah pada evolusi sirkuit daya klasik dan karenanya, peningkatan yang signifikan dalam kualitas konverter DC/AC dan di atas segalanya, frekuensi dan kemampuan regulasinya.
Sejumlah besar penelitian telah dikhususkan untuk analisis dan desain berbagai topologi sirkuit daya konverter DC / AC yang sangat luas.
Mempertimbangkan aplikasi dan beban yang paling beragam yang harus disetujui oleh konverter ini, menjadi jelas bahwa pertanyaan penelitian dan generalisasi hasil pengoperasian perangkat ini selalu relevan.
Untuk melakukan analisis inverter sumber arus, metode analisis harmonik pertama (FHA) biasanya diterapkan [5–10] dan dalam aplikasi yang berkaitan dengan elektroteknologi, di mana beban adalah bagian dari sirkuit resonansi dengan faktor kualitas yang cukup baik, akurasi yang memuaskan tercapai, dibandingkan dengan metode analisis yang tepat yang memperhitungkan pengaruh semua harmonik.
Dalam aspek ini, metodologi yang ada untuk desain inverter sumber arus berdasarkan analisis metode harmonik pertama memberikan hasil yang sangat baik dan menggunakan prosedur perhitungan yang relatif sederhana. Di sisi lain, karena kekhususan jenis konverter DC/AC ini, ada masalah desain dan implementasi fisik sumber daya DC "sumber arus", yang diperlukan untuk pengoperasian konverter ini. Karena sebagian besar aplikasi industri bekerja dengan daya besar, paling sering sumber arus suplai dibentuk dengan memperbaiki jaringan suplai AC dengan konverter AC/DC (dalam praktiknya, karena spesifisitas jaringan suplai AC, sumber tegangan konstan yang ideal diperoleh) dan induktansi filter dengan nilai induktansi yang cukup besar dihubungkan secara seri dengannya. Karakteristik analisis berdasarkan metode harmonik pertama adalah bahwa mereka tidak
dapat memberikan perkiraan kuantitatif dari riak arus input, dan dengan demikian kelemahan mereka adalah penentuan nilai induktansi input yang sulit dan tidak tepat. Tentu saja, ketika bekerja dengan beban lain, di mana harmonik yang tersisa tidak dapat diabaikan (seperti penggerak, aplikasi di sektor energi, dll.), Penggunaan analisis semacam itu tidak dapat diterima juga karena keakuratan hasil yang tidak memuaskan [3,8,10].
Inverter sumber tegangan adalah kelompok besar lainnya di kelas konverter DC/AC. Intinya, mereka ganda dari sudut pandang teori sirkuit listrik dari inverter sumber arus karena ditenagai oleh sumber tegangan, dan karenanya, tegangan keluarannya adalah persegi panjang bipolar (sedangkan arus keluaran inverter sumber arus adalah persegi panjang bipolar). Dalam pengertian ini, metode harmonik pertama juga diterapkan dalam analisis inverter sumber tegangan, dan masalah yang terkait dengan ini mirip dengan inverter sumber arus [1,2,11–14]. Sayangnya, sebagian besar aplikasi inverter sumber tegangan tidak melibatkan beban dalam bentuk sirkuit resonansi, dan ini membuat penggunaan metode harmonik pertama hanya dapat diterima untuk membuat perkiraan awal besarnya arus dan tegangan di sirkuit daya.
Inverter resonansi dibedakan oleh variasi topologi, mode operasi dan, karenanya, aplikasi dibandingkan dengan dua jenis konverter DC/AC utama lainnya. Mereka dapat diumpankan baik dengan sumber tegangan DC dan (meskipun dalam kasus yang jauh lebih jarang) dengan sumber arus DC, yang memperluas kemungkinan konfigurasi sirkuit dan sifat serta kemampuannya [1–3]. Dalam pengertian ini, banyak penelitian telah didedikasikan untuk analisis mereka, berdasarkan penerapan berbagai pendekatan dan asumsi dengan maksud untuk mendapatkan prosedur perhitungan yang
disederhanakan. Dalam [15], jenis utama sirkuit resonansi
dipertimbangkan, dan mereka direduksi menjadi empat jenis utama.
Saat menggunakan sirkuit keluaran yang kompleks untuk mencocokkan parameter inverter dengan parameter beban, mereka juga mengurangi menjadi beberapa dari empat jenis dasar ini. Dengan cara ini, dengan klasifikasi yang diperkenalkan, dalam praktiknya, sebagian besar varietas skema inverter resonansi tercakup. Dalam sebagian besar kasus praktis, karena persyaratan untuk implementasi fisik perangkat yang sederhana, andal, dan murah, inverter resonansi seri yang ditenagai oleh sumber tegangan DC menemukan aplikasi terbesar.
Dalam aspek ini, konfigurasi ini telah menjadi subjek studi yang paling banyak dan mendalam [16–21]. Peneliti individu yang bekerja di bidang ini telah menggunakan pendekatan yang berbeda dan
memperkenalkan koefisien perhitungan yang berbeda untuk melakukan analisis. Paling sering, analisis dilakukan berdasarkan penentuan bentuk sebenarnya dari arus di sirkuit AC, biasanya mengabaikan redaman rangkaian resonansi [1,16,20,21]. Karena spesifisitas beban, pendekatan ini memberikan hasil yang baik dalam
analisis dan desain konverter DC/DC resonansi, tetapi dalam kasus konverter DC/AC resonansi dengan aplikasi industri dan kompor induksi, pendekatan ini menyebabkan penyimpangan yang signifikan dibandingkan dengan analisis yang tepat [22].
Tentu saja, metode analisis yang akurat juga diterapkan yang memperhitungkan keberadaan lebih banyak atau semua komponen harmonik dari arus AC dan tegangan keluaran. Sayangnya, metode yang tepat ini dalam banyak kasus rumit, memakan waktu dan tidak dapat diterapkan untuk kebutuhan pelatihan elektronika daya, sulit untuk diformalkan (yang membuatnya tidak dapat digunakan untuk tujuan desain otomatis) dan sangat sering tidak mungkin untuk membuat interpretasi dari hasil yang diperoleh.
Ide dan tujuan utama dari pekerjaan ini adalah perumusan, penyajian, dan verifikasi pendekatan umum untuk analisis jenis utama konverter DC/AC. Dengan cara ini, proses elektromagnetik di semua jenis konverter DC/AC akan dijelaskan dari posisi yang seragam,
menggunakan parameter dan koefisien perhitungan yang identik. Hal ini memungkinkan untuk menyatukan dan memformalkan metodologi desain mereka, yang penting baik dari sudut pandang metodologis untuk kebutuhan pelatihan elektronika daya, dan dengan maksud untuk menggunakan desain otomatis perangkat elektronik daya, termasuk yang didasarkan pada penerapan teknik kecerdasan buatan.
Makalah ini disusun sebagai berikut: pada bab pertama, pengantar dibuat mengenai pentingnya masalah yang berkaitan dengan analisis, desain, dan pembuatan prototipe konverter DC/AC; dalam bab kedua, gagasan utama dari pendekatan terpadu untuk analisis berdasarkan studi proses elektromagnetik dalam rangkaian RLC serial disajikan;
pada bab ketiga, ekspresi utama ditunjukkan, dengan cara itu semua kuantitas yang diperlukan untuk desain konverter DC/AC dapat ditentukan; Pada bab keempat, beberapa contoh komputasi dan hasil simulasi komputer yang sesuai diberikan, di mana pendekatan analisis terpadu diverifikasi, dan akhirnya, di bab kelima, kesimpulan dan kesimpulan utama dijelaskan, serta arah untuk pengembangan penelitian di masa depan.
2. Gagasan Utama dan Esensi Pendekatan Terpadu untuk Analisis DC/ACConverters
Untuk deskripsi analitis tentang operasi konverter DC/AC mode stabil, berbagai pendekatan digunakan oleh para peneliti yang bekerja di bidang elektronika daya.
Dalam analisis inverter arus dan inverter tegangan, koefisien biasanya digunakan, di mana parameter beban dan frekuensi kontrol terlibat.
Dengan cara ini, pengaruh beban dan, karenanya, perubahan frekuensi kontrol konverter tercermin dalam rasio yang diperoleh. Dalam kasus konverter DC/AC resonansi, karena kekhususan proses
elektromagnetik di sirkuit AC, parameter diperkenalkan yang
mencerminkan kualitasnya. Paling sering ini adalah faktor kualitas Q dan faktor detuning, yang didefinisikan sebagai rasio antara frekuensi kontrol dan frekuensi resonansi sirkuit AC. Penulis lain [23,24]
menggunakan sudut detuning dari rangkaian resonansi alih-alih detuning, yang lebih nyaman untuk mendapatkan ekspresi desain yang lebih ringkas. Selanjutnya, mereka mengusulkan pendekatan terpadu untuk menggambarkan inverter resonansi dan inverter sumber arus berdasarkan analisis inverter sumber arus harmonik pertama. Dalam praktiknya, mode operasi resonansi jarang ditemui, karena beban biasanya berubah selama operasi, dan terlebih lagi, pengaturan daya keluaran sering diperlukan, yang dikaitkan dengan perubahan frekuensi kontrol. Dalam hal ini, lebih nyaman menggunakan faktor fluktuasi k, yang analog dengan faktor kualitas, tetapi memberikan informasi tentang nilai maksimum tegangan kapasitor resonansi, terlepas dari detuningnya. Koefisien ini sangat nyaman, karena ekspresi sederhana diperoleh untuk semua kuantitas yang diperlukan dalam studi dan desain inverter resonansi. Pengenalan normalisasi sudut konduksi sakelar semikonduktor sehubungan dengan frekuensi kontrol
memberikan peluang yang baik untuk mengevaluasi perilaku inverter yang berbeda saat bekerja dalam mode operasi yang berbeda, dan sangat berguna dalam sintesis kontrol dan penyesuaian pengontrol.
Inti dari pendekatan terpadu akan diilustrasikan berdasarkan beberapa skema khas konverter DC/AC yang ditunjukkan pada Gambar 1. Mereka disajikan dalam urutan yang mengikuti evolusi mereka dari waktu ke waktu. Diketahui bahwa perangkat semikonduktor pertama yang dapat dikendalikan adalah thyristor. Gambar 1a menunjukkan skema
jembatan penuh inverter sumber arus thyristor paralel dengan aplikasi elektroteknologi. Dalam rangkaian AC inverter, rangkaian beban paralel disertakan, yang terdiri dari beban RL—induktor dengan badan
berpemanas yang sesuai dan kapasitor kompensasi. Induktansi (secara teori dengan nilai yang sangat besar) dihubungkan secara seri dengan sumber daya DC pada input inverter, yang berfungsi untuk
mengimplementasikan catu daya DC tipe sumber arus. Karena spesifisitas thyristor, shutdownnya dipastikan oleh sifat kapasitif dari rangkaian beban paralel (rangkaian beban resonansi paralel yang diperoleh diatur untuk beroperasi dalam detuning kapasitif). Dalam teknologi induksi, beban RL sebagian besar bersifat induktif, dan oleh karena itu, rangkaian beban resonansi paralel yang dibuat dengan partisipasinya memiliki faktor kualitas tinggi dan bertindak sebagai filter untuk arus dan harmonik tegangan yang lebih tinggi. Dalam pengertian ini, koneksi seri setara (hanya dengan mempertimbangkan pengaruh harmonik pertama dari jumlah yang sesuai) resistansi dan kapasitansi dapat digunakan untuk sirkuit pengganti beban ini.
Varian dari skema daya ini, dengan beban kompensasi seri ditunjukkan pada Gambar 1b. Untuk memberikan mode operasi yang lebih
memungkinkan, induktansi resonansi dibagi menjadi dua bagian: di sirkuit input (L1) dan di sirkuit AC—L2. Evolusi topologi terakhir yang
didorong oleh pengembangan dan implementasi transistor daya dalam perangkat elektronik daya adalah inverter DC/AC resonansi transistor dengan dioda terbalik yang ditunjukkan pada Gambar 1c. Dengan tidak adanya kapasitor resonansi, sirkuit daya ini dimodifikasi menjadi inverter sumber tegangan—Gambar 1d.
Jika diasumsikan bahwa beban inverter arus paralel bersifat kapasitif (yang terjadi dalam aplikasi industri), maka parameter ekuivalen dari beban ini, bersama dengan induktansi input (dengan nilai induktansi yang sangat besar, karena persyaratan untuk realisasi sumber arus) membentuk rangkaian resonansi seri yang beroperasi pada perbedaan yang signifikan antara frekuensi resonansi dan kontrol (setidaknya 2-3 kali).
Di sisi lain, rangkaian RL pada inverter sumber tegangan dapat
direpresentasikan sebagai rangkaian RLC seri, dengan nilai kapasitansi cenderung tak terhingg. Sebagai hasil dari pertimbangan dan analogi ini, dapat disimpulkan bahwa struktur paling umum dari konverter DC/AC adalah rangkaian RLC seri, yang dalam kondisi tertentu beroperasi dalam mode resonansi dan di bawah yang lain—tidak.
Dalam pengertian ini, dapat disimpulkan bahwa konverter DC/AC resonansi mewakili kasus yang paling umum, yang merangkum dan berisi semua kemungkinan mode operasi, dan jenis inverter lainnya mewakili kasus khususnya. Representasi sirkuit ekuivalen dari semua jenis konverter DC/AC, serta transisi di antara mereka, ditunjukkan pada Gambar 2.
Ini adalah karakteristik dari semua jenis DC/AC yang, dalam analisisnya, rangkaian ekuivalen seri dari sirkuit AC digunakan, yang mencapai komunitas pertimbangan. Dalam pengertian ini, pendekatan terpadu didasarkan pada penggunaan rangkaian RLC seri, yang menggambarkan proses elektromagnetik dalam inverter DC/AC resonansi dengan dioda terbalik. Dua jenis utama konverter DC/AC lainnya dianggap sebagai kasus khusus, masing-masing, dengan induktansi resonansi cenderung tak terbatas (inverter sumber arus) atau kapasitor cenderung tak terbatas (dalam hal ini tidak mungkin beroperasi dalam resonansi, tetapi dalam mode aperiodik)—inverter sumber tegangan.
c d
Gambar 1. Skema daya jembatan penuh konverter DC/AC. (a) Inverter sumber arus paralel; (b) konverter DC/AC resonansi seri; (c) konverter DC/AC resonansi dengan dioda terbalik; (d) voltage inverter sumber.
Gambar 2. Sirkuit ekuivalen umum dari tiga jenis utama konverter DC/AC dan transisi di antara keduanya.
Saat melakukan analisis konverter DC/AC resonansi, parameter berikut dimasukkan:
- Koefisien keraguan k ;
- Faktor detuning dari rangkaian AC setara ν = ωω0 , q
Converter Sumber arus DC/AC
Mode resonansi "Keras"
Converter
Sumber tegangan DC/AC Mode aperiodik
dioda terbalik konverter dengan/tanpa
Resonansi DC/AC Mode resonansi
∞ C
L→ R
Ud
s a
∞ C→ L
R Ud
s a
C
R L
Ud
s a
Mana ω0 =LC1 −d2 adalah frekuensi resonansi dari rangkaian resonansi seri, D = 2RL adalah pelemahannya, oh = 2πf ditandai frekuensi kontrol melingkar dan L = Wah0 —dinormalisasi ke sudut konduksi frekuensi kontrol dari sakelar semikonduktor yang dapat dikontrol;
Penggunaan koefisien k dan ν adalah semangat tradisi Departemen
"Elektronika Daya" di Universitas Teknik Sofia, Bulgaria, di mana mereka diperkenalkan untuk melakukan analisis konverter DC/AC resonansi [25,26]. Di sisi lain, dengan definisi yang dibuat dengan cara ini, hubungan antara koefisien k dan faktor kualitas Q dari rangkaian resonansi seri didefinisikan dengan jelas dan tidak ambigu:
Q (1)
Saat bekerja dalam mode aperiodik, parameter berikut yang digunakan dalam analisis perangkat elektronik daya diperkenalkan dengan analogi:
- kA —koefisien aperiodisitas;
- —faktor kuasi-frekuensi, q
Di mana Ω0 = δ2 − LC1 adalah frekuensi kuasi-resonansi.
3. Rasio dasar yang digunakan untuk menganalisis konverter DC/AC Pada bagian ini, berdasarkan analisis konverter DC/AC resonansi dengan dioda terbalik, ekspresi untuk variabel keadaan—arus inverter dan tegangan kapasitor—akan ditemukan. Semua ekspresi akan diperoleh berdasarkan skema jembatan penuh, dan ketika bekerja dengan jenis skema lain (setengah jembatan, dorong-tarik atau titik tengah transformator) ada koefisien numerik turunan yang dengannya hasil skema jembatan disesuaikan dengan varietas skema ini [23,26].
3.1. Analisis Konverter DC/AC Resonansi dengan Dioda Terbalik Skema konverter DC/AC resonansi jembatan penuh ditunjukkan pada Gambar 1c. Karakteristik topologi ini adalah, tergantung pada rasio antara parameter rangkaian AC, dimungkinkan untuk beroperasi dalam mode resonansi atau aperiodik. Analisis inverter dibuat dengan asumsi idealitas semua elemen sirkuit.
Rangkaian RLC seri yang dipertimbangkan dijelaskan oleh persamaan diferensial berikut sehubungan dengan tegangan kapasitor [16,22]:
D2UC(t) Duc(t)
LC dt2 + RC Dt + Uc(t) = uSW, (2)
Di mana USW adalah tegangan input yang diterapkan ke rangkaian seri.
Ini dibentuk oleh operasi berurutan dari sakelar semikonduktor (transistor dan dioda terbalik) inverter dengan frekuensi switching f = 1/T.
Saat beroperasi dalam mode yang mapan dan memenuhi persyaratan resonansi—
R ekspresi arus melalui induktansi dan tegangan kapasitor berikut berlaku untuk rangkaian yang dipertimbangkan [22,25,26]:
Il
(3) uC t
di mana IL (0) dan UC (0) mencerminkan kondisi awal dalam rangkaian, R adalah resistansi beban, L dan C adalah induktansi resonansi dan kapasitor resonansi, Ud adalah tegangan suplai DC.
Bergantung pada rasio antara frekuensi kontrol dan frekuensi
resonansi rangkaian RLC serial, mode operasi dengan frekuensi kontrol di bawah dan di atas resonansi dimungkinkan. Gambar 3 menunjukkan bentuk arus melalui induktansi saat beroperasi dengan frekuensi kontrol di bawah resonansi—Gambar 3a dan di atas resonansi Gambar 3b. Pada gambar tersebut, nilai awal arus ditandai, serta ψ fase awalnya.
Gambar 3. Bentuk Arus Induktansi Keadaan Stabil dari Konverter DC/AC Resonansi dengan Dioda Terbalik: (a) dengan frekuensi kontrol di bawah resonansi; (b) dengan frekuensi kontrol di atas resonansi.
Ketika perangkat beroperasi dalam mode yang ditetapkan, terlepas dari rasio resonansi dan frekuensi kontrol, kondisi untuk periodisitas variabel status valid: iL dan uC , dan atas dasar ini, nilai awalnya ditentukan. Di sisi lain, fakta bahwa dua variabel keadaan secara bergantian mengubah tanda-tanda mereka di awal dan di akhir setengah periode frekuensi mengemudi (ditunjukkan untuk
) b ( )
s e (
) 0 (S a
y
p
wt
= Pu q
= l q)
L( s a
y p
) 0 ( S
a l=Pu q=wt
q) ( sL
a
arus pada Gambar 3) memungkinkan ekspresi terpadu untuk mode frekuensi mengemudi di bawah dan beresonansi lebih.
Nilai arus dan tegangan awal ditentukan dari kondisi periodisitas:
2KUd − 1 )Ud, (4)
IL(0) = sebuah dan UC(0) = (2 ribu ω0L
di mana Kadalah kuantitas yang
mencirikan rangkaian RLC seri, yang disebut 1 jam.e ω 1−h.(
k )ν koefisien variasi dalam inverter resonansi RLC dengan dioda terbalik, dan h dan a dilambangkan sebagai berikut:
h , a
Setelah mengganti arus dan tegangan awal pada (3), arus inverter dan tegangan kapasitor resonansi diperoleh sebagai berikut:
iL(t) = 2ωKU0Ld De−δtsin(ω0t − 0)ψ , (5) uC(t)
= Ud − 2KUdEe−δtsin(ω0t + 0)φ
mana D , E 1 , dan
Ψ0 = ARCTG sebuah
dan merupakan fase awal arus melalui
resonansi
Induktansi dan tegangan melintasi kapasitor resonansi, masing-masing.
Dalam analisis lebih lanjut dari skema untuk komunitas pertimbangan yang lebih besar, perlu untuk melakukan normalisasi sudut konduksi sakelar semikonduktor sehubungan dengan frekuensi kontrol ω, di mana ekspresi untuk iL(θ) dan uC(θ) memperoleh bentuk:
iL(θ) = 2ωKU0Ld D e−δωθ sinπλ(θ−ψ) (6) uC(θ) = Ud − 2KUdEe
di mana dan .
Untuk menerapkan pendekatan terpadu untuk analisis dan
representasi dari posisi umum dari proses dalam semua skema dasar konverter DC/AC, adalah tepat untuk menyajikan ekspresi untuk arus dari (6) sebagai fungsi beban dengan cara berikut:
Il(Saya) = 4KURd OD0 D e L(7) Uc(Saya) = Ud − 2KUdEe
Setelah mendefinisikan variabel keadaan, dalam praktiknya, hubungan dasar untuk menemukan semua kuantitas yang diperlukan untuk desain perangkat elektronika daya dapat dianggap telah ditemukan.
3.2. Analisis Inverter Sumber Saat Ini
Pertimbangan inverter sumber arus sebagai inverter resonansi yang beroperasi pada rasio besar antara frekuensi kontrol dan frekuensi resonansi dari rangkaian AC seri setara (nilai faktor detuning lebih besar dari 3) diketahui [25–27]. Untuk kenyamanan, kami akan menyebut mode pada nilai koefisien detuning resonansi "keras", berbeda dengan mode resonansi "lunak" yang disebut kondisional, di mana perbedaan antara kedua frekuensi adalah maksimum 20-30%.
Dalam praktiknya, rangkaian beban paralel (Gambar 1a) biasanya bekerja dalam penyetelan kapasitif dan parameter harmonik pertama yang setara, bersama dengan induktansi input, membentuk rangkaian resonansi seri. Karena persyaratan untuk riak arus input kecil (untuk mewujudkan suplai tipe sumber arus), induktansi input biasanya diasumsikan memiliki nilai yang sangat besar, sehingga membentuk nilai frekuensi resonansi yang sangat rendah dari rangkaian AC yang setara. Gambar 4 menunjukkan bentuk arus di rangkaian AC (iAC) dan tegangan pada kapasitor ekuivalen (uC) saat beroperasi dalam mode resonansi "keras".
uC Suh u
s a
S a Y
L P
Gambar 4. Diagram waktu arus di sirkuit AC dan tegangan pada kapasitor seri setara dalam inverter sumber arus.
Dalam operasi keadaan stabil, rangkaian ekuivalen yang sama hadir seperti dalam kasus inverter resonansi dengan dioda terbalik, dan berkat nilai induktansi input yang besar, kondisi resonansi—R
dipenuhi lebih ketat untuk perangkat yang dipertimbangkan, dan oleh karena itu, ekspresi yang sama berlaku (2) untuk arus melalui
induktansi dan tegangan kapasitor [26]. Yang istimewa adalah bahwa elemen R dan C dari skema substitusi seri rangkaian AC setara dan mewakili nilai resistansi aktif dan reaktif sesuai dengan harmonik pertama dari rangkaian beban paralel [27,28].
Keunikan mode operasi tercermin oleh kondisi periodisitas, yang, menurut diagram waktu Gambar 4, adalah sebagai berikut: iL(ωπ) = IL(0) dan uC . Setelah substitusi dalam ekspresi untuk arus di sirkuit AC dan tegangan kapasitor, kami memperoleh
persamaan berikut untuk menentukan kondisi awal variabel keadaan dalam kasus yang dipertimbangkan:
IL(0) = 2 KCSUd aCS dan UC(0) = (2KCS − 1 )Ud, (8)
ω0L
mana KCSadalah kuantitas yang
mencirikan seri RLC cirCSoh
1−hCS.( k )N
cuit, yang disebut koefisien variasi dalam inverter sumber arus (resonansi dengan inverter pergantian "keras") dan hCS dan aCS dilambangkan sebagai berikut:
hCS
, aCS
Setelah mengganti nilai awal variabel keadaan yang ditentukan pada (2), arus inverter dan tegangan kapasitor resonansi diperoleh sebagai berikut:
Il 2 ribu U DCSe−δt 0 ,
(9) uC(t) = Ud − 2KCSUdECSe−δtsin(ω0t + CS0)φ
mana D Acs CS,
ECS Acs
ARCTG Acs adalah fase awal dari arus
melalui
ω0 ω0
masing-masing induktansi resonansi dan tegangan melintasi kapasitor resonansi.
Untuk mencapai universalitas yang lebih besar dari pertimbangan yang dibuat, normalisasi sudut konduktor sakelar semikonduktor
sehubungan dengan frekuensi kontrol ω dilakukan, di mana ekspresi untuk iL(θ) dan uC(θ) memperoleh bentuk:
Il 2 ribuU DCS e−δωθ sinπλ(i+ψCS),
(10) uC(θ) = Ud − 2KCSUdECSe
mana CS0dan .
Untuk mencapai pendekatan terpadu untuk analisis proses dalam semua skema dasar konverter DC/AC, konversi ekspresi untuk arus dari (10) dilakukan, karena disajikan sebagai fungsi dari beban setara:
Il(Saya) = 4KCS URd OD0 DCS e−doth SINPL(i+ψCS), (11) uC(θ) = Ud − 2KCSUdECSe
Salah satu keuntungan besar melihat inverter sumber arus sebagai mode resonansi, hard-switched adalah memungkinkan untuk
merancang inverter arus dengan nilai induktansi input yang terbatas.
Secara umum, masalah penentuan optimal besarnya induktansi input sangat mendasar dari sudut pandang desain optimal inverter sumber arus secara umum [2,27,28].
3.3. Analisis Konverter DC/AC Resonansi tanpa Dioda Terbalik
Diketahui bahwa konverter DC/AC resonansi tanpa dioda terbalik dapat bekerja dalam beberapa mode operasi, dan tidak seperti kasus inverter sumber arus sebelumnya, frekuensi kontrol kurang dari atau paling banyak sama dengan frekuensi resonansi [25–27]. Dalam hal ini, rangkaian ekuivalen yang sama digunakan seperti pada kasus
sebelumnya, tetapi arus melalui induktansi memiliki nilai awal nol. Ini menghasilkan ekspresi yang disederhanakan untuk variabel status versus ekspresi (3):
s2 2+
oD0
1−
= r
iLt
(12) uC(t) = Ud
Untuk tegangan pada kapasitor yang setara, kondisi periodisitas dalam rezim undang-undang adalah sah: uC . Setelah mengganti ekspresi tegangan kapasitor untuk kondisi awalnya, kami memperoleh:
UC(0) = (2k − 1)Ud, (13)
yang juga merupakan syarat untuk menentukan koefisien fluktuasi.
Setelah mengganti kondisi awal tegangan kapasitor, ekspresi (11) memperoleh bentuk:
iLt
(14) uC(t) = Ud − 2kUde
Jika deskripsi ringkas digunakan untuk menggambarkan tegangan kapasitor, maka variabel keadaan ditentukan oleh:
iLt
(15) uC(t) = Keluar −
2kUdERe
di mana ER , dan adalah fase awal
tegangan melintasi kapasitor resonansi.
Setelah menormalkan sudut konduksi sakelar semikonduktor sehubungan dengan frekuensi switching ω, ekspresi untuk iL(θ) dan uC(θ) adalah:
iL,
(16) uC(t) = Keluar − 2kUdERe
dimana .
Dengan demikian, setelah menyatakan variabel keadaan sebagai fungsi beban ekuivalen, diperoleh sebagai berikut:
iL(θ) = 4kURd ωδ0 e−δωθ sinπλθ, (17)
uC(t) = Ud − 2kUdERe
Jadi, setelah menentukan jumlah ini, semua yang lain dapat ditemukan yang berfungsi untuk merancang sirkuit daya.
3.4. Analisis Inverter RLC Seri yang Beroperasi dalam Mode Aperiodik Ini adalah salah satu yang kurang umum dalam praktiknya, tetapi akan dibahas mengingat fakta bahwa mode ini adalah generalisasi dari kasus inverter sumber tegangan. Dalam hal ini, inverter RLC bekerja dalam mode aperiodik, yang sesuai dengan pemenuhan kondisi R . Dalam varian ini, variabel status didefinisikan sebagai berikut:
Il
(18) uC(t) = Ud −(Ud + UC(0))e−δt(Ωδ0 shΩ0t + chΩ0t)− IΩL(00C)e−δtshΩ0t Dari solusi bersama (18) menggunakan kondisi periodisitas arus melalui beban dan tegangan kapasitor, yaitu, iL dan uC
, nilai arus dan tegangan awal ditentukan:
2KapUd
Saya (0) = dan UC(0) = (2Kap − 1 )Ud,
mana Kap −perbedaan 1 adalah kuantitas yang mencirikan seri RLC terbalik-
ERS dengan dioda terbalik, yang disebut koefisien aperiodisitas, dan HAP dan AAP dilambangkan sebagai berikut:
hap ,
S h P aap =
Va
P Sebuah
Setelah mengganti arus dan tegangan awal pada (18), arus melalui induktansi dan tegangan kapasitor diperoleh sebagai berikut:
iL(t) = 2 KΩap0LUd DAe−δtsh 0 , (19) uC(t) = Ud − 2KapUdEAe−δtsh(Ω0t + 0A)φ
aap
mana DA aap Ω0 Ap Sebuah arth , EA = Ω0
Ap dan .
S e N S e k−1 S e Ap k
−h 1
= 1 O0 e hAp 1−
= 1
sAp
L O0 L
ShN 1 S− kkS P1L S−
NP Ch S+
N1 1 S− kkS
− 1
2 2 OD0
sAp
e + s e
− s D
Setelah menormalkan sudut konduksi transistor sehubungan dengan frekuensi kontrol ω, ekspresi untuk iL(θ) dan uC(θ) mengambil bentuk:
Il(Saya) = 2 KΩap0LUd DA e Sh Sebuah), (20) uC(θ) = Ud − 2KapUdEAe sh A)
di mana dan .
3.5. Analisis Inverter Sumber Tegangan
Pertimbangan di atas tentang operasi mode aperiodik dari inverter RLC seri adalah dasar untuk analisis inverter sumber tegangan yang berdiri sendiri. Inovasi dalam representasi ini adalah pertimbangan inverter tegangan sebagai kasus khusus dari inverter RLC aperiodik seri dengan dioda terbalik pada nilai kapasitor C = ∞ [29]. Dengan demikian, untuk analisis inverter sumber tegangan, hubungan yang sudah ditentukan dapat digunakan, mencatat bahwa ketika C = ∞, maka δ = Ω0.
Dalam analisis inverter tegangan, faktor aperiodisitas mengambil nilai tetap tunggal kN
Kemudian, ekspresi untuk arus melalui induktansi, diwakili oleh inisialnya fase, adalah:
Il(t) = Ud − tsh 0tδ Ω 0 2Ud DNe−δtsh 0 (21)
R
mana DN = q(1 + sebuah )2 − a2N, ψ0N = arth1+aNaN , aN SHNP .
N
Sebuah
Dengan menormalkan sehubungan dengan frekuensi penggerak ω, ekspresi untuk iL(θ) mengambil bentuk:
Ud −fè sh p (θ−ψN) = 2Ud DN e−δωθ sh π (θ−ψN) (22)
Il(Saya) = DN e
Ω0L min A R min A
di mana θ = ωt, λA = πωΩ0 dan.
Dengan cara ini, menjadi mungkin untuk menentukan beban arus semua elemen sirkuit dan ukurannya dengan maksud untuk mencapai parameter tugas dan memastikan pengoperasian perangkat yang diharapkan.
4. Verifikasi Pendekatan Analisis Terpadu
Pada bagian ini, beberapa contoh komputasi dari desain berbagai jenis konverter DC/AC disajikan dan metode yang merancangnya didasarkan pada pendekatan analisis terpadu. Elemen-elemen
e DN
L O0
tertentu dari pendekatan terpadu, seperti representasi inverter sumber saat ini sebagai resonansi hard-switched, telah disajikan dalam [25].
Untuk mengkonfirmasi hasil yang dicapai dalam desain inverter saat ini, simulasi komputer dibuat menggunakan simulator LTSPICE dan juga diverifikasi pada perangkat elektronik daya yang berfungsi dengan aplikasi industri.
Data awal untuk desain inverter sumber arus jembatan penuh (Gambar 1a) adalah:
- daya aktif keluaran P = 100 kW;
- faktor daya beban cosφT = 0.15;
- Nilai RMS dari tegangan pemuatan KELUAR = 750 V; - Frekuensi keluaran f = 2400 Hz.
Sebagai hasil dari desain, nilai-nilai elemen sirkuit berikut ditentukan:
RT = 0,12656 Ω, LT = 55,319 μH, C = 88,406 μF dan L = 2,187 mH. Untuk tujuan desain, nilai catu daya DC 500 V dipilih.
Gambar 5 menunjukkan hasil simulasi penelitian konverter DC/AC yang dirancang— inverter sumber arus paralel. Secara berurutan, dari atas ke bawah, disajikan sebagai berikut: arus input (arus melalui
induktansi) Id, tegangan keluaran (tegangan melintasi kapasitor paralel C) UOUT dan tegangan melintasi thyristor VS1—UVS1. Model simulasi yang dengannya hasil ini diperoleh diberikan dalam Lampiran A di akhir makalah. Karena simulator yang digunakan tidak memiliki model thyristor, itu digantikan oleh sirkuit seri transistor NPN bipolar dan dioda. Dengan cara ini, diperoleh kelompok yang meniru tindakan nyata dari thyristor.
Gambar 5. Diagram waktu arus input—Id, tegangan keluaran—uOUT dan tegangan melintasi thyristor VS1—uVS1 dalam inverter sumber arus yang dirancang dan disimulasikan.
Tabel 1 membandingkan hasil yang dihitung menggunakan analisis terpadu dan metodologi desain inverter sumber saat ini dengan yang diperoleh dari simulator dan eksperimen. Nilai yang diperoleh dari studi simulasi ditentukan menggunakan fungsi dasar simulator komputer.
Tabel 1. Output data dan hasil yang diperoleh dari simulasi dan eksperimen untuk inverter sumber arus jembatan penuh.
Data Masukan Simulasi Komputer Percobaan
UOUT, V = 750 738.15 746.25
Id, A = 200 199.45 195.2
tq, μs = 49 48.874 48.7
Data yang tercantum dalam Tabel 1 menunjukkan bahwa, untuk semua nilai yang ditentukan pada desain, kesalahan kurang dari 2%.
Contoh komputasi berikut didasarkan pada desain inverter resonansi transistor tanpa dioda terbalik (skema Gambar 1b)
Data awal untuk desain inverter resonansi transistor jembatan penuh adalah:
- output daya aktif P = 10 kW;
- faktor daya beban cosφT = 1;
- Nilai RMS dari tegangan pemuatan KELUAR = 270 V; - Frekuensi keluaran f = 50.000 Hz.
Sebagai hasil dari desain, nilai-nilai elemen sirkuit berikut ditentukan: R
= 7,29 Ω, L = 33,178 μH dan C = 272,1 nF. Untuk tujuan desain, nilai catu daya DC 300 V dipilih. Selanjutnya, mode operasi dengan frekuensi kontrol yang sama dengan frekuensi resonansi rangkaian resonansi seri dipilih.
Gambar 6 menunjukkan hasil simulasi studi konverter DC/AC yang dirancang— inverter resonansi seri tanpa dioda terbalik. Arus input (diukur berdasarkan nilai absolut arus melalui induktansi resonansi) Id dan tegangan keluaran (tegangan pada beban)—UOUT disajikan secara berurutan dari atas ke bawah. Model simulasi inverter resonansi yang dengannya hasil yang disajikan diperoleh diberikan dalam Lampiran A di akhir makalah.
Gambar 6. Diagram waktu arus input—Id dan tegangan keluaran—uOUT.
Tabel 2 membandingkan hasil yang dihitung menggunakan analisis terpadu dan metodologi desain inverter resonansi jembatan penuh tanpa dioda terbalik berdasarkan itu dengan yang diperoleh dari simulator dan eksperimen.
Tabel 2. Keluaran data dan hasil yang diperoleh dari simulasi dan eksperimen untuk inverter resonansi transistor jembatan penuh tanpa dioda terbalik.
Data Masukan Simulasi Komputer Percobaan
UOUT, V = 270 266.61 267.25
Id, A = 33.333 32.582 33.12
Data yang tercantum dalam Tabel 2 menunjukkan bahwa, untuk semua nilai yang ditentukan pada desain, kesalahan kurang dari 2%.
Contoh komputasi berikutnya didasarkan pada desain inverter resonansi transistor dengan dioda terbalik (skema Gambar 1c)
Data awal untuk desain inverter resonansi transistor jembatan penuh adalah:
- output daya aktif P = 10 kW;
- faktor daya beban cosφT = 1;
- Nilai RMS dari tegangan pemuatan KELUAR = 270 V; - Frekuensi keluaran f = 50.000 Hz.
Mode operasi yang dipilih dengan frekuensi kontrol lebih besar dari frekuensi resonansi rangkaian resonansi seri—nilai koefisien detuning ν = 1.1.
Sebagai hasil dari desain, nilai-nilai elemen sirkuit berikut ditentukan:
R = 7.29 Ω, L = 36.496 μH dan C = 299.32 nF. Untuk tujuan desain, nilai catu daya DC 300 V dipilih.
Gambar 7 menunjukkan hasil simulasi dari studi konverter DC/AC yang dirancang— inverter resonansi seri dengan dioda terbalik. Secara berurutan dari atas ke bawah, arus yang dikonsumsi oleh sumber daya DC (dibentuk oleh operasi berurutan transistor dan dioda terbalik) Id dan tegangan keluaran UOUT disajikan. Karakteristik dari topologi daya yang dipertimbangkan adalah bahwa, selama konduksi dioda terbalik, energi dikembalikan ke sumber daya DC. Untuk alasan ini, bagian negatif diamati dalam bentuk arus input, yang sesuai dengan pelepasan energi dari sirkuit AC ke sumber daya DC. Model simulasi yang dengannya hasil ini diperoleh diberikan dalam Lampiran A di akhir makalah.
Gambar 7. Diagram waktu arus input—Id dan tegangan keluaran—uOUT.
Tabel 3 membandingkan hasil yang dihitung menggunakan analisis terpadu dan metodologi desain inverter resonansi jembatan penuh dengan dioda terbalik berdasarkan itu dengan yang diperoleh dari simulator dan eksperimen.
Tabel 3. Keluaran data dan hasil yang diperoleh dari simulasi dan eksperimen untuk inverter resonansi transistor jembatan penuh dengan dioda terbalik.
Data Masukan Simulasi Komputer Percobaan
UOUT, V = 270 268.73 267.45
Id, A = 33.333 33.097 32.9
Data yang tercantum dalam Tabel 3 menunjukkan bahwa, untuk semua nilai yang ditentukan pada desain, kesalahan kurang dari 5%.
Perbedaan yang lebih besar antara hasil desain, simulasi, dan
eksperimen bukan karena ketidakakuratan dalam analisis, tetapi fakta bahwa metodologi desain didasarkan pada penerapan metode kuasi- batas [22].
Contoh komputasi terakhir didasarkan pada desain inverter sumber tegangan transistor (skema Gambar 1d)
Data awal untuk desain inverter sumber tegangan transistor jembatan penuh adalah [29]:
- daya keluaran total S = 1000 VA; - 0,303;beban cosφT =faktordaya - Nilai RMS dari harmonik pertama
dari tegangan keluaran U(1) = 100 V; - Hz.500Frekuensi =keluaran f Sebagai hasil dari desain, nilai-nilai elemen rangkaian berikut ditentukan: resistansi beban R = 3,033 Ω dan induktansi beban L = 3,033 mH. Untuk tujuan desain, nilai catu daya DC 111 V dipilih.
Gambar 8 menunjukkan hasil simulasi studi konverter DC/AC yang dirancang— voltage inverter sumber. Secara berurutan dari atas ke bawah, arus yang dikonsumsi oleh sumber daya DC (dibentuk oleh operasi berurutan transistor dan dioda terbalik) Id dan tegangan keluaran UOUT disajikan. Untuk topologi daya ini, selama konduksi dioda terbalik, energi dikembalikan ke sumber daya DC. RMS dari harmonik pertama dari tegangan keluaran ditemukan dengan
melakukan analisis harmonik. Model simulasi yang dengannya hasil ini diperoleh diberikan dalam Lampiran A di akhir makalah.
Gambar 8. Diagram waktu arus input—Id dan tegangan keluaran—uOUT.
Tabel 4 membandingkan hasil yang dihitung menggunakan analisis terpadu dan metodologi desain inverter sumber tegangan jembatan penuh berdasarkan itu dengan yang diperoleh dari simulator dan eksperimen.
Tabel 4. Nilai kuantitas yang diperoleh dari desain inverter sumber tegangan dan hasil simulasi dan eksperimen komputer.
Data Masukan Simulasi Komputer Percobaan
U(1), V = 100 99.99 99.45
I, A = 10 10.064 9.95
Data yang tercantum dalam Tabel 4 menunjukkan bahwa, untuk semua nilai yang ditentukan pada desain, kesalahan kurang dari 1%.
5. Pembahasan dan Kesimpulan
Dari analisis dan perbandingan hasil yang diperoleh dalam desain jenis utama konverter DC/AC menggunakan metode desain berdasarkan pendekatan analisis terpadu dan dari simulasi komputer dan prototipe, ditemukan bahwa akurasi yang sangat baik tercapai—
perbedaan kurang dari 5%. Dengan cara ini, tidak hanya penerapan, tetapi juga rasionalitas dan efektivitas pendekatan analisis baru terbukti, terlepas dari posisi teori sirkuit listrik dan teknik elektro, tetapi juga berdasarkan berbagai eksperimen. Keuntungan utama dari pendekatan terpadu yang diusulkan adalah bahwa, tidak seperti metode analisis lainnya, pendekatan ini menggambarkan arus melalui sirkuit AC dalam bentuk sebenarnya. Dalam pengertian ini, ia
mendekati analisis yang tepat yang didasarkan pada deskripsi proses elektromagnetik di sirkuit daya dengan sistem persamaan diferensial.
Intinya, pendekatan analisis terpadu adalah pengembangan dan generalisasi dari teori inverter otonom. Di sisi lain, rasio turunan, di mana pengaruh resistansi aktif sirkuit AC juga diperhitungkan, membuat penilaian mengenai pengaruh perubahan parameter sirkuit pada mode operasi. Kelemahan utama dari pendekatan terpadu adalah tidak mencakup konverter DC/AC yang menyuntikkan energi ke jaringan listrik dan banyak digunakan dalam sistem pembangkit listrik terdesentralisasi.
Di sisi lain, definisi dan pengembangan pendekatan terpadu dalam analisis tiga jenis utama konverter DC/AC mengarah pada komunitas hasil, perbandingan karakteristik yang lebih mudah dan lebih nyaman dan, yang tak kalah pentingnya, untuk penciptaan metodologi rekayasa terpadu untuk desainnya. Menggabungkan metode ini
Dengan teknik kecerdasan buatan (sebagian besar penerapan prosedur optimasi yang berbeda) adalah salah satu pedoman untuk penerapan dan pengembangan pendekatan terpadu di masa depan. Gagasan utama dari pendekatan ini didasarkan pada pencapaian matematika komputasi dan penerapan perangkat lunak matematika untuk
mempercepat dan meningkatkan proses desain perangkat dan sistem elektronika daya, dan untuk menjamin kinerjanya dengan
mempertimbangkan toleransi elemen sirkuit dan adanya berbagai efek yang mengganggu. Pendekatan analisis yang diusulkan juga berlaku untuk inverter DC/AC tiga fase, dengan mempertimbangkan spesifikasi yang terkait dengan keberadaan tiga fase dan, karenanya, pengaruh timbal balik mereka dalam pembentukan arus keluaran dan tegangan.
Penerapan pendekatan terpadu dalam analisis, dikombinasikan dengan normalisasi dengan frekuensi kontrol sudut konduksi perangkat semikonduktor, juga berguna dari sudut pandang metodologis untuk kebutuhan pelatihan dalam elektronika daya.
Dalam aspek ini, mempertimbangkan inverter sumber arus sebagai resonansi yang beroperasi dalam mode pergantian keras
memungkinkan desain inverter sumber arus yang akurat dengan nilai induktansi input yang terbatas. Dalam pengertian ini, pendekatan analisis terpadu memecahkan salah satu masalah besar dalam membuat prototipe seluruh kelas perangkat elektronik daya dengan aplikasi industri.
Pendanaan: Penelitian ini didanai oleh Dana Ilmiah Nasional Bulgaria, nomor hibah KII-06H57/7/16.11.2021, dan APC didanai oleh KII-06-H57/7/16.11.2021.
Ucapan terima kasih: Penelitian ini dilakukan dalam kerangka proyek "Pemodelan, desain, kontrol, dan pengoperasian perangkat dan sistem elektronik daya berbasis Kecerdasan Buatan", KII-06-H57/7/16.11.2021, Dana Ilmiah Nasional Bulgaria.
Konflik Kepentingan: Penulis menyatakan tidak ada konflik kepentingan.
Terminologi
Q faktor kualitas dari rangkaian AC resonansi seri setara k Koefisien keraguan rangkaian resonansi seri
N faktor detuning dari rangkaian AC resonansi seri setara ω0 frekuensi resonansi dari rangkaian AC resonansi seri setara oh frekuensi kontrol, frekuensi switching
D redaman rangkaian AC resonansi seri setara
L dinormalisasi ke sudut konduksi frekuensi kontrol dari sakelar semikonduktor yang dapat dikontrol
Ka koefisien aperiodisitas rangkaian RLC serial Va faktor kuasi-frekuensi
Ω0 Frekuensi kuasi-resonansi dari sirkuit RLC serial IL(0) kondisi awal untuk arus melalui induktansi UC(0) kondisi awal untuk tegangan kapasitor Ud Tegangan suplai DC.
K koefisien variasi dalam inverter resonansi RLC dengan dioda terbalik Y fase awal arus melalui induktansi resonansi
φ fase awal tegangan melintasi kapasitor resonansi
KCS Koefisien variasi pada inverter sumber arus (beresonansi dengan inverter pergantian "keras")
Kap koefisien aperiodisitas inverter RLC seri dengan dioda terbalik tq Waktu pemulihan skematik thyristor
Lampiran A
Model simulasi konverter DC/AC yang dirancang disajikan dalam Lampiran A. Hasil grafis dan numerik yang disajikan dalam manuskrip diperoleh melalui model-model ini. Gambar A1 menunjukkan model simulasi inverter sumber arus paralel. Seperti yang telah dikomentari, karena tidak adanya thyristor dalam perpustakaan model elemen semikonduktor standar di simulator yang digunakan, sambungan seri transistor NPN bipolar dan dioda digunakan dalam studi simulasi.
Gambar A1. Model simulasi inverter sumber arus paralel.
Gambar A2 menunjukkan model simulasi inverter resonansi seri tanpa dioda terbalik.
Gambar A2. Model simulasi inverter resonansi seri tanpa dioda terbalik.
Gambar A3 menunjukkan model simulasi inverter resonansi seri dengan dioda terbalik.
Gambar A3. Model simulasi inverter resonansi seri dengan dioda terbalik.
Gambar A4 menunjukkan model simulasi inverter sumber tegangan.
Gambar A4. Model simulasi inverter sumber tegangan.
Referensi
1. Ned Mohan, U.; Kobek, M.; Robbins; William, P. Elektronika Daya—Konverter, Aplikasi, dan Desain, edisi ke-3; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, AS, 2003.
2. Zinoviev, G. Dasar-dasar Elektronika Daya—Bagian II; Universitas Negeri Novosibirsk: Novosibirsk, Rusia, 2004.
(Dalam Bahasa Rusia)
3. Rasyid, MH Buku Pegangan Elektronika Daya: Perangkat, Sirkuit, dan Aplikasi; Pers Akademik: Cambridge, MA, AS, 2007.
4. Erickson, RW; Maksimovic, D. Dasar-dasar Elektronika Daya, edisi ke-2; Kelompok Penerbit Akademik Kluwer: Bonn, Jerman, 2001. 5. Yang, X.; Zhao, Z.; Wang, C.; Xu, J.; Liu, K.; Qiu, J. Analisis dan Desain Parameter Inverter Sumber Arus Berbasis SiC (CSI). Listrik Dunia. Veh. J. 2022, 13, 187. [Referensi silang]
6. Mauricio, JM; Torres, M.; Baier, C.; Silva, J. Model rata-rata yang ditingkatkan untuk simulasi hibrida konverter sumber saat ini. Dalam Prosiding Konferensi Internasional IEEE tentang Teknologi Industri (ICIT), Seville, Spanyol, 17–19 Maret 2015; hlm. 2520–2525. [Referensi silang]
7. Combe, Q.; Pierfederici, S.; Weber, M.; Dufour, S. Pemodelan, Analisis dan Kontrol Konverter Sumber Arus. Dalam Prosiding IECON 2021—Konferensi Tahunan ke-47 dari IEEE Industrial Electronics Society, Toronto, ON, Kanada, 13–
16 Oktober 2021; hlm. 1–6. [Referensi silang]
8. Wang, H.; Saha, T.; Riar, B.; Zane, R. Pertimbangan Desain untuk Konverter Resonansi Seri yang Diatur Arus dengan Arus Input Konstan. IEEE Trans. Elektron Daya. 2019, 34, 141–150. [Referensi silang]
9. Vishnuram, P.; Ramachandiran, G.; Sudhakar, T.; Nastasi, B. Pemanasan Induksi dalam Memasak Domestik dan Peleburan Industri
Aplikasi: Tinjauan sistematis tentang pemodelan, topologi konverter, dan skema kontrol. Energi 2021, 14, 6634. [Ref silang] 10. Dokic , BL; Blanuša, B. Konverter dan Regulator Elektronika Daya, edisi ke-3; Penerbitan Internasional Springer: Cham, Swiss, 2015; ISBN 978-3-319-09401-4.
11. Khluabwannarat, P.; Thammarat, C.; Tadsuan, S.; Bunjongjit, S. Analisis kehilangan besi yang dipasok oleh inverter PWM sinusoidal, gelombang persegi, bipolar PWM dan inverter PWM unipolar. Dalam Prosiding Konferensi Teknik Tenaga Internasional 2007 (IPEC 2007), Singapura, 3–6 Desember 2007; hlm. 1185–1190.
12. Lian, R.K.-L.; Subroto, R.K.; Andrean, V.; Lin, BH Pemodelan Konverter Sumber Tegangan. dalam pemodelan harmonik konverter sumber tegangan menggunakan metode numerik dasar; IEEE: Piscataway, NJ, AS, 2022; hlm. 95–147.
[Referensi silang]
13. Kharjule, S. Voltage inverter sumber. Dalam Prosiding Konferensi Internasional 2015 tentang Sistem dan Aplikasi Energi, Pune, India, 30 Oktober–1 November 2015; hlm. 537–542. [Referensi silang]
14. Popov, E. Analisis, Pemodelan dan Desain Unit Konverter (Komputer—Desain Berbantuan Sirkuit Elektronik Daya);
Rumah Percetakan Universitas Teknik: Sofia, Bulgaria, 2005. (Di Bulgaria)
15. Penev, D.; Arnaudov, D.; Hinov, N. Formalisasi, Kesetaraan dan Generalisasi Sirkuit Listrik Resonansi Dasar. Dalam Prosiding Prosiding Konferensi AIP, Sozopol, Bulgaria, 8–13 Juni 2017; Volume 1910, ISBN 978-0-7354-1602-4.
[Referensi silang]
16. Kazimierczuk, M.K.; Czarkowski, D. Konverter Daya Resonansi, edisi ke-2; IEEE Press dan John Wiley & Sons: New York, NY, AS, 2011; hlm. 1–595. ISBN 978-0-470-90538-8.
17. Cutrona, C.; Di Miceli, C. Pendekatan terpadu untuk konverter resonansi seri, paralel, dan seri-paralel. Dalam Prosiding Konferensi Energi Telekomunikasi, INTELEC '92, Washington, DC, AS, 4–8 Oktober 1992; hlm. 139–146.
18. Ivensky, G.; Zeltser, I.; Kats, A.; Ben-Yaakov, S. Mengurangi Kerugian IGBT pada Konverter Resonansi Seri ZCS. IEEE Trans. Ind. Elektron. 1999, 46, 67–74. [Referensi silang]
19. Mikhalchenko, SG; Stolyarova, AA Analisis konverter resonansi pada rentang tegangan input yang luas. Dalam Prosiding Konferensi Internasional Spesialis Muda ke-17 2016 tentang Mikro/Nanoteknologi dan Perangkat Elektron (EDM), Erlagol, Altai, Rusia, 30 Juni–4 Juli 2016; hlm. 512–517. [Referensi silang]
20. Lagu, Z.; Gao, Y.; Shang, P. Metode Desain Parameter Konverter Resonansi Seri-paralel. Dalam Prosiding Konferensi Teknik Teknologi Informasi dan Mekatronika IEEE ke-4 (ITOEC) 2018, Chongqing, Cina, 14–16 Desember 2018; hlm.
1024–1027. [Referensi silang]
21. Steigerwald, RL Metodologi desain praktis untuk konverter resonansi beban yang beroperasi di atas resonansi. Dalam Prosiding Konferensi Energi Telekomunikasi Internasional Keempat Belas—INTELEC '92, Washington, DC, AS, 4–8 Oktober 1992; hlm. 172–179. [Referensi silang]
22. Hinov, N. Metode Quasi-Boundary untuk Pertimbangan Desain Konverter DC-DC Resonansi. Energi 2021, 14, 6153. [R eferensi silang]
23. Todorov, T.S.; Madzharov, ND; Alexiev, DT; Ivanov, P.T. Inverter Otonom; Universitas Teknik Gabrovo: Gabrovo, Bulgaria, 1996.
24. Madzharov, N. Sumber daya frekuensi tinggi dengan daya keluaran konstan. J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2016, 9, 157–
162. [Referensi silang]
25. Hinov, NL Konverter Daya Energi Listrik dengan Aplikasi Industri. Ph.D. Tesis, Universitas Teknik, Sofia, Bulgaria, 1998.
(Di Bulgaria)
26. Gradinarov, NP Analisis dan Pengembangan Inverter Resonansi Otonom dengan Aplikasi Listrik. Ph.D. Tesis, Universitas Teknik Sofia, Sofia, Bulgaria, 2002. (Dalam Bahasa Bulgaria)
27. Berkovich, EI; Ivenskyi, G.V.; Joffe, Y.S.; Matchak, A.T.; Morgun, V.V. Konverter Thyristor Frekuensi Tinggi untuk Perangkat Listrik; Energoatomizdat: Leningrad, Rusia, 1983. (Dalam Bahasa Rusia)
28. Dede, E.; Espi, J.; Esteve, V.; Yordania, J.; Casans, S. Tren Konverter untuk Aplikasi Pemanasan Induksi. Dalam Prosiding Konferensi Gerak Cerdas Internasional Ketiga Puluh Lima, Nürnberg, Jerman, 22–24 Juni 1999; hlm. 155–160.
29. Hinov, N. Metode baru untuk analisis dan pertimbangan desain inverter sumber tegangan. Energi 2022, 15, 3695.
[Referensi silang]
Penafian/Catatan Penerbit: Pernyataan, pendapat, dan data yang terkandung dalam semua publikasi semata-mata milik penulis dan kontributor individu dan bukan MDPI dan/atau editor. MDPI dan/atau editor menyangkal tanggung jawab atas cedera apa pun pada orang atau properti yang diakibatkan oleh ide, metode, instruksi, atau produk apa pun yang dirujuk dalam konten.
