inverter six-step - Teknik Elektro UNIB

I. Voltage Source Inverter (VSI)
A. Six-Step VSI
B. Pulse-Width Modulated VSI
II. Metode PWM
A. Sinusoidal PWM
B. Hysteresis (Bang-bang)
C. Space Vector PWM
2 /35
¾Voltage Source Inverter Tiga Fasa Six Step
Gambar 1 Three
Three-phase
phase voltage source inverter.
inverter
3 /35
¾ Sinyal
y g
gate,, urutan switching
g dan tegangan
g g line ke negatif.
g
4 /35
Voltage Source Inverter (VSI)
Six-Step VSI
¾ Urutan Switching:
561 (V1) → 612 (V2) → 123 (V3) → 234 (V4) → 345 (V5) → 456 (V6) → 561 (V1)
dimana, 561 berarti S5, S6 and S1 di-ON-kan sedangkan switch lainnya OFF
5
Voltage Source Inverter (VSI)
Six-Step VSI
¾ Tegangan
g g line-to-line ((Vab, Vbc, Vca) dan tegangan
g g line-to-neutral ((Van, Vbn, Vcn)
ŒTegangan line-to-line
Ö Vabb = VaNN - VbN
Ö Vbc = VbN - VcN
Ö Vca = VcN - VaN
ΠTegangan fasa
Ö Van = 2/3VaN - 1/3VbN - 1/3VcN
Ö Vbn = -1/3VaN + 2/3VbN - 1/3VcN
Ö Vcn = -1/3VaN - 1/3VbN + 2/3VcN
6
Voltage Source Inverter (VSI)
Six-Step VSI
¾ Amplitud
p
tegangan
g g line to line ((Vab, Vbc, Vca)
ΠKomponen frekuensi fundamental (Vab)1
(Vab )1 (rms) =
3 4 Vdc
6
=
Vdc ≈ 0.78Vdc
π
2π 2
ΠKomponen frekuensi harmonik (Vab)h
: amplitud harmonik menurun dengan naiknya orde harmoniknya
0.78
(Vab )h (rms) =
Vdc
h
di
dimana,
h = 6n
6 ± 1 (n
( = 1,
1 2,
2 3,.....)
3 )
7
Voltage Source Inverter (VSI)
Six-Step VSI
¾ Karakteristik VSI Six Step
p
Œ Disebut “inverter six-step” karena adanya enam step pada bentuk
gelombang tegangan line-to-netral (fasa) nya.
ΠHarmonik
H
ik orde
d 3 dan
d kelipatan
k li t 3 tidak
tid k muncull pada
d tegangan
t
li
line-tot
line dan line-to-neutral. Konsekuensinya juga tidak muncul pada
arusnya.
ΠAmplitud output inverter tiga fasa dapat dikontrol hanya dengan
mengubah tegangan DC-link nya (Vdc).
8
¾ Sasaran PWM
ΠMengontrol tegangan output inverter
ΠMengurangi harmonik
¾ Kekurangan dari PWM
ΠRugi-rugi
R i
i switching
it hi naik
ik karena
k
f k
frekuensi
i PWM yang tinggi
ti
i
ΠTegangan output menjadi berkurang
ΠProblem interferensi elektromagnetik (EMI) disebabkan harmonik orde
tinggi
9 /35
¾ Pulse-Width
Pulse Width Modulation (PWM)
10 /35
¾ Tegangan output inverter
ΠJika vcontrol > vtri, VA0 = Vdc/2
ΠJika vcontrol < vtri, VA0 = -Vdc/2
¾ Kontrol tegangan output inverter
ΠFrekuensi PWM sama dengan frekuensi vtri
ΠAmplitud
p
dikontrol oleh harga
g p
puncak vcontrol
ΠFrekuensi fundamental dikontrol oleh frekuensi vcontrol
¾ Indeks modulasi (m)
vcontrol puncak (V A0 )1
∴m =
,
=
vtri
Vdc / 2
dimana, (VA0 )1 : komponen frekuensi fundamental dari VA0
11 /35
ƒ
Sinusoidal PWM
ƒ
Hysteresis Band PWM
yste es s a d
ƒ
Space Vector PWM
p
/35
¾ Three-phase
Three phase inverter
12 /35
g
¾ Bentuk Gelombang
vtri
ΠFrekuensi vtri dan vcontrol
Ö frekuensi vtri = fs
Ö frekuensi vcontrol = f1
dimana, fs = frekuensi PWM
f1 = frekuensi fundamental
ΠTegangan output inverter
Ö jika vcontrol > vtri, VA0 = Vdc/2
Ö jika vcontrol < vtri, VA0 = -Vdc/2
dimana, VAB = VA0 – VB0
VBC = VB0 – VC0
VCA = VC0 – VA0
/35
vcontrol_A
vcontrol_B
vcontrol_C
¾ Rasio Modulasi Amplitud (ma)
amplitud puncak vcontrol nilai puncak (V A0 )1
∴ ma =
,
=
amplitud vtri
Vdc / 2
dimana, (VA0 )1 : komponen frekuensi fundamental VA0
¾ Rasio modulasi frekuensi (mf)
fs
m f = , dimana,, f s = frekuensi PWM dan f1 = frekuensi fundamental
f1
Πmf seharusnya bilangan bulat ganjil
Ö Jika mf bukan bilangan bulat,
bulat mungkin ada subharmonik pada output tegangan
Ö Jika mf bukan ganjil, komponen DC masih ada dan harmonik pada tegangan output
Πmf seharusnya adalah kelipatan 3 untuk inverter PWM 3 fasa
Ö Harmonik kelipatan 3 ganjil dan harmonik genap dihilangkan
14 /35
¾ Inverter Tiga fasa untuk Kontrol Arus Hysteresis
15 /35
¾ Kontroler arus Hysteresis
16 /35
¾ Karakteristik Kontrol Arus Hysteresis
ΠKeunggulan
Ö Respon
R
di
dinamik
ik yang sangatt baik
b ik
ÖBiaya rendah dan mudah diterapkan
ΠKelemahan
Ö Riak arus yang besar pada steady-state
Ö Variasi pada frekuensi switching
Ö Tidak ada inter-komunikasi antara masing-masing kontroler histerisis dari
ketiga fasa, dan akibatnya tidak ada cara untuk membangkitkan vektor
tegangan nol. Hasilnya, frekuensi switching bertambah pada indeks
modulasi yang lebih rendah dan sinyal akan melewati pita histeresis setiap
kali vektor nol ON.
Ö Proses modulasi membangkitkan komponen sub-harmonik.
17 /35
¾ Tegangan outpur inverter tiga fasa (1)
dimana, transistor atas: S1, S3, S5
transistors bawah: S4, S6, S2
vektor variabel switching: a, b, c
18 /35
¾ Tegangan output
ΠS1 sampai S6 adalah 6 transistor yang membentuk tegangan output
ΠPada
P d saatt sakelar
k l atas
t ON,
ON sakelar
k l bawah
b
h pada
d kaki
k ki yang harus
h
sama OFF
Ö Menghasilkan 8 kombinasi pola ON-OFF bagi transistor-transistor atas (S1, S3, S5)
ΠVektor tegangan line-to-line [Vab Vbc Vca]t
⎡ Vab ⎤
⎡1 − 1 0 ⎤ ⎡ a ⎤
⎢ V ⎥ = V ⎢ 0 1 − 1⎥ ⎢ b ⎥ ,
dc ⎢
⎢ bc ⎥
⎥⎢ ⎥
⎣⎢ − 1 0 1⎦⎥ ⎢⎣ c ⎥⎦
⎣⎢ Vca ⎦⎥
dimana vektor variabel switching
ΠVetor
V t tegangan
t
li
line-to-netral
t
t l (tegangan
(t
f
fasa)
) [Van Vbn Vcn]t
⎡Van ⎤
⎡2 −1 −1⎤ ⎡a ⎤
⎢ ⎥ 1 ⎢
⎥⎢ ⎥
V
1
2
1
=
−
−
V
bn
dc
⎢ ⎥ 3 ⎢
⎥ ⎢b⎥
⎢⎣Vcn ⎥⎦
⎢⎣−1 −1 2⎦⎥ ⎣⎢c ⎥⎦
19 /35
[a
b
c] t
¾ Tegangan output
Π8 vektor tegangangan
inverter (V0 to V7)
20 /35
Π8 kombinasi, tegangan fasa dan tegangan line output
21 /35
¾ Prinsip Space Vector PWM
ΠMemperlakukan tegangan sinusoidal sebagai sebuah vektor amplitud konstan
yang berputar pada frekuensi konstan
ΠTeknik PWM ini memperkirakan tegangan referensi Vref lewat kombinasi
kedelapan pola switching (V0 - V7)
d-q
q stasioner)
ΠPerubahan Koordinat (kerangka referensi abc menjadi kerangka d
: Vektor tegangan tiga fasa ditransformasikan menjadi vektor pada kerangka koordinat d-q
stasioner yang mewakili penjumlahan vektor ruang dari ketiga tegangan fasa
ΠVektor-vektor (V1 - V6) membagi bidang menjadi 6 sektor (masing-masing 60 derajat)
ΠVref dibangkitkan oleh dua vektor bukan nol yang berdekatan dan dua vektor nol
22 /35
¾ Dasar
D
vektor
kt dan
d sektor
kt switching
it hi
Π6 vektor aktif (V1,V2, V3, V4, V5, V6)
Ö Sumbu heksagonal
Ö Tegangan DC link disuplay ke beban
Ö Masing-masing sektor (1 - 6): 60
derajat
Π2 vektor nol (V0, V7)
Ö Pada titik asal
Ö Tidak ada tegangan yang disuplay ke beban
23
/35
¾ Perbandingan Sinusoidal PWM dan Space Vector PWM
Gambar. Perbandingan lokus tegangan kontrol linier maksimum pada SPWM dan SVPWM
24 /35
¾ Perbandingan Sinusoidal PWM dan Space Vector PWM
ΠSpace Vector PWM membangkitkan distorsi harmonik lebih sedikit pada
output tegangan atau arus dibanding sinusoidal PWM
ΠSpace Vector PWM menghasilkan penggunaan tegangan suplay yang lebih
efisien dibanding sinuosoidal PWM
Ö Sinusoidal PWM
: Lokus vektor referensi berada di dalam lingkaran dengan radius 1/2 Vdc
Ö Space Vector PWM
: Lokus vektor referensi berada di dalam lingkaran dengan radius 1/√3 Vdc
∴ Utilisasi tegangan: Space Vector PWM = 2/√3 kali Sinusoidal PWM
25 /35
¾ Penerapan
Space
Vector
P
S
V t PWM
ΠLangkah 1.
1 Tentukan Vd, Vq, Vref, dan sudut (α)
ΠLangkah 2. Tentukan durasi waktu T1, T2, T0
ΠLangkah 3. Tentukan waktu switching masing-masing transistor (S1 to S6)
26 /35
¾ Langkah 1. Menentukan Vd, Vq, Vref, dan sudut (α)
Vd = Van − Vbn ⋅ cos60 − Vcn ⋅ cos60
ΠTransformasi koordinat
: abc Æ dq
1
1
= Van − Vbn − Vcn
2
2
Vq = 0 + Vbn ⋅ cos30 − Vcn ⋅ cos30
= Van +
3
3
Vbn −
Vcn
2
2
1
1 ⎤ V
⎡
⎡ an ⎤
1
−
−
⎥
⎡Vd ⎤ 2 ⎢
2
2 ⎢ ⎥
⎥ ⎢Vbn ⎥
∴⎢ ⎥ = ⎢
V
⎣ q ⎦ 3 ⎢0 3 − 3 ⎥ ⎢V ⎥
cn
⎢⎣
2
2 ⎥⎦ ⎣ ⎦
V ref = Vd 2 + Vq 2
−1
Gambar: Vektor ruang tegangan dan komponennya
dalam (d, q).
27 /35
α = tan (
Vq
Vd
) = ω s t = 2ππs t
(dimana, f s = frekuensi fundamenta l)
¾ Step 2.
2 Menentukan durasi waktu T1, T2, T0 (1)
Gambar. Vektor referensi sebagai kombinasi vektor-vektor berdekatan pada
sektor 1.
28 /35
p 2. Menentukan durasi waktu T1, T2, T0
¾ Step
Πdurasi waktu switching pada sektor 1
Tz
T1
T1 + T2
Tz
0
0
T1
T1 + T2
∫ V ref = ∫ V1dt + ∫ V 2dt + ∫ V 0
∴ Tz ⋅ V ref = (T1 ⋅ V1 + T2 ⋅ V 2 )
⎡cos (α ) ⎤
⎡1 ⎤
⎡cos (π / 3) ⎤
2
2
V
T
V
T
=
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⇒ Tz ⋅ V ref ⋅ ⎢
1
dc ⎢ ⎥
2
dc ⎢
⎥
⎥
sin
(
)
0
sin
(
/
3
)
α
π
3
3
⎣
⎦
⎣ ⎦
⎣
⎦
(dimana 0 ≤ α ≤ 60°)
(dimana,
∴T1 = Tz ⋅ a ⋅
sin (π / 3 − α )
sin (π / 3)
∴T2 = Tz ⋅ a ⋅
⎛
⎜
1
∴T0 = Tz − (T1 + T2 ), ⎜ where, Tz =
fs
⎜
⎜
⎝
29 /35
sin (α )
sin (π / 3)
⎞
Vref ⎟
⎟
and a =
2
Vdc ⎟⎟
3
⎠
¾ Langkah 2. Menentukan durasi waktu T1, T2, T0
ΠDurasi waktu switching pada setiap sektor
3 ⋅ Tz ⋅ V ref ⎛ ⎛ π
n −1 ⎞⎞
π ⎟ ⎟⎟
⎜⎜ sin ⎜ − α +
∴ T1 =
Vdc
3
3
⎠⎠
⎝ ⎝
3 ⋅ Tz ⋅ V reff ⎛
3 ⋅ Tz ⋅ V reff ⎛
n
n
n
⎞
⎞
sin
=
π
−
α
=
sin
π
cos
α
−
cos
π sin α ⎟
⎟
⎜
⎜
Vdc
Vdc
3
3
3
⎠
⎝
⎝
⎠
3 ⋅ Tz ⋅ V ref ⎛ ⎛
3 ⋅ Tz V ref ⎛
n −1
n −1 ⎞
n −1 ⎞⎞
π ⎟ ⎟⎟ =
α
π
α
π⎟
−
⋅
+
⋅
⎜⎜ sin ⎜ α −
∴ T2 =
cos
sin
sin
cos
⎜
Vdc
Vdc
3
3
3
⎠
⎝
⎠⎠
⎝ ⎝
⎛ dimana, n = 1 sampai 6 (sektor1 sampai 6) ⎞
⎟⎟
∴ T0 = Tz − T1 − T2 , ⎜⎜
0
≤
α
≤
60
°
⎝
⎠
30 /35
¾ Langkah 3. Menentukan waktu switching masing
masing transistor (S1 - S6)
masing-masing
(a) Sektor 1.
(b) Sektor 2.
Gambar. Pola switching space Vector PWM pada tiap sektor
31 /35
¾ Langkah
L
k h 3.
3 Menentukan
M
t k waktu
kt switching
it hi masing-masing
i
i transistor
t
i t (S1 - S6)
(c) Sektor 3.
(d) Sektor 4.
Gambar. Pola switching space Vector PWM pada tiap sektor
32 /35
¾ Langkah
L
k h 3.
3 Menentukan
M
t k waktu
kt switching
it hi masing-masing
i
i transistor
t
i t (S1 - S6)
(e) Sektor 5.
(f) Sektor 6.
Gambar. Pola switching space Vector PWM pada tiap sektor
33 /35
¾ Langkah 3.
3 Menentukan waktu switching masing-masing transistor (S1 - S6)
34 /35
Tabel waktu switching pada tiap sektor
[1] N.
Mohan, W
W. P
P. Robbin
Robbin, and T
T. Undeland
Undeland, Power Electronics: Converters,
N Mohan
Converters
Applications, and Design, 2nd ed. New York: Wiley, 1995.
[2] B
B. K
K. Bose
Bose, Power Electronics and Variable Frequency Drives:Technology
and Applications. IEEE Press, 1997.
[3] H.W.
H W van der
d Broeck,
B
k H.-C.
H C Skudelny,
Sk d l
and
dG
G.V.
V St
Stanke,
k “A
“Analysis
l i and
d
realization of a pulsewidth modulator based on voltage space vectors,”
IEEE Transactions on Industry Applications, vol.24, pp. 142-150, 1988.
35 /35