3/12/2010
Konverter Thyristor Pekik Argo Dahono
Konverter Satu-Fasa Setengah-Gelombang i s
T
io
+
vs
vo
R
(a) Skema
vs
is 0
π
2π
ωt
π
2π
ωt
vo
Tegangan keluaran rata - rata : 1 π Vo = 2Vs sin (ωt )d (ωt ) 2π ∫α 2Vs (1 + cosα ) = 2π
io 0
α
(b) Bentuk gelombang.
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
2
1
3/12/2010
Gate Signal Generation AC line
Saw - tooth Generator
vsw
vsyn
Comparator and logic
Gate signal
vc
vsyn
0
vsw
vc
Gate signal
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
3
Linearizing the Phase-Control Characteristic
sin ωt
∫
+ −
+
FF +
1
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
4
2
3/12/2010
Konverter Satu-Fasa Setengah-Gelombang vs
io
is
is +
vL
T vd
vs
vo
R
0
2π
π
ωt
vd
•Arus masukan dan keluaran mempunyai bentuk yang sama dan diskontinyu •Harmonisa arus masukan mengandung komponen dc dan semua orde harmonisa •Nilai rata-rata tegangan keluaran tidak hanya ditentukan oleh sudut penyalaan tetapi juga parameter beban.
io
0
ωt
2π
π
α
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
5
Konverter Satu-Fasa Setengah-Gelombang io
is +
vs
vL
T FD
vd
vs
R
vo
is 0
Nilai rms arus masukan lebih kecil dibanding arus keluaran Arus masukan mengandung semua orde harmonisa termasuk komponen dc Nilai rata-rata tegangan keluaran hanya ditentukan oleh sudut penyalaan
2π
π
ωt
vd
io
0
α
π
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
2π
ωt
6
3
3/12/2010
Konverter Satu-Fasa Setengah Gelombang io
is +
vL
T
vs
vd
FD
R
vs
vo
is 0
2π
π
ωt
vd
io
0
2π
π
α
ωt
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
7
Konverter Satu-Fasa Setengah-Gelombang is +
vs
vs Ls
is
T FD
vd
Io
0
2π
π
ωt
vd
Induktansi sumber menyebabkan nilai rata-rata tegangan keluaran berubah sebagai fungsi arus beban
io
0
α
µ
2π
π
Vd =
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
2V s 2π
ωt
(1 + cos α ) − fLs I o
8
4
3/12/2010
Konverter Satu-Fasa Setengah-Gelombang io
is +
vs
vL
T vd
vs
Vo
Vo is
0
π
2π
ωt
vd
Nilai rata-rata tegangan keluaran dipengaruhi oleh emf beban
Vo
io 0 α
π
2π
ωt
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
9
Konverter Satu-Fasa Jembatan
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
10
5
3/12/2010
Konverter Satu-Fasa Jembatan Nilai rata - rata tegangan keluaran : Vo = =
1 π
π ∫α
2Vs
π
2Vs sin (ωt )d (ωt )
(1 + cos α )
Arus sumber hanya mengandung harmonisa orde ganjil Tegangan dan arus beban mempunyai jumlah pulsa dua dan hanya mengandung harmonisa orde genap
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
11
Konverter Thyristor Satu-Fasa io
T1
Ld
T3
Tegangan keluaran rata-rata:
is +
vo
vs
Vo =
R
2 2
π
V s cos α
Arus thyristor rata-rata: T2
T4
IT = I o / 2 Arus rms sumber :
vs
Is = Io
is
ωt
PF sumber :
PF = vo
α io 0
π
T1& T 4
2π
ωt
Vo I o 2 2 = cos α Vs I s π
Tegangan keluaran bisa diatur dari minus maksimum sampai plus maksimum tetapi arus selalu positip.
T 2&T3
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
12
6
3/12/2010
Konverter Thyristor Satu-Fasa vs is
T1
T3
ωt
is +
vs
vo
Io
α
vo
Io
T2
T4
0
ωt
π 2π
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
13
Output Voltage
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
14
7
3/12/2010
Konverter Thyristor Satu-Fasa is
vs
vs
is
ωt
ωt
vo
vo Io
Io
0
π
0
ωt
2π
π
2π
ωt
vT 1
vT 1
ωt
ωt
vs
α=
π 4
α =
is
vs
π 2
is
ωt
ωt
Io 0
π
Io
ωt
2π
vo
0
π
2π ωt
vo
vT 1 ωt 3π α= 4
vT1
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
15
α =π
Analisis Daya dan Harmonisa Daya Aktif : P = Vs I s1 cos α Q = Vs I s1 sin α
P
Analisis Harmonisa Arus Masukan : Q
∞
Ik = = I1 =
∑
I k sin (kωt ) k = 2n −1 4 π /2 I o sin (kωt )d (ωt ) 0
is = 2
α
0
2π ∫
π
π
2
4Io [1 − cos(kπ / 2)] 2kπ 2 2
π
Io
I k = I1 / k Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
16
8
3/12/2010
Pengaruh Induktansi Sumber T1
T3
is
vs
is
+
Ls
vs
vo
Io ωt
T2
T4
vo
α µ Io
π
0
2π
Vo =
2 2
π
ωt
Vs cos α − 4 fL s I o
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
17
Sudut Pemadaman is
vs
vs
is
ωt
ωt
vo
α µ
α
µ
Io
Io
vo
0
π
2π
ωt
vT 1
π
0
2π
ωt
vT 1
γ Vo =
2 2
π
Vo =
Vs cos α − 4 fLs I o
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
2 2
π
V s cos α − 4 fLs I o
18
9
3/12/2010
Konduksi Tak Kontinyu vs io
is T1
Ld
T3
ωt
is +
vo
vs
Vo
vo
α Vo
T2
io
T4 0
π
2π
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
ωt
19
Output voltage characteristic
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
20
10
3/12/2010
Penyearah Satu-Fasa Setengah-Terkendali io
Ld
D3
T1
is +
vs
vo
T2
R
D4
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
21
Penyearah Satu-Fasa Setengah-Terkendali
Tegangan keluaran rata-rata: Vo =
2
π
Vs (1 + cosα )
Arus thyristor rata-rata: IT = I o
π −α 2π
Arus rms sumber : 1/ 2
π −α I s = Io π
PF sumber :
PF =
Vo I o 2 1 + cosα = Vs I s π π − α 1/ 2 π
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
22
11
3/12/2010
Penyearah Satu-Fasa Setengah-Terkendali
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
23
Konverter Thyristor Tiga-Fasa Setengah-Gelombang vun
0
u
iw
T3
iu
T1
π
vwn
2π
ωt
io
T2
R
AC source
vvn
Load
n
vo
iv T w
v
S
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
24
12
3/12/2010
Persamaan Tegangan Nilai rata - rata tegangan : Vo =
3 2π
5π +α 6
∫π6 +α
2Vln s sin (ωt )d (ωt )
3 2 Vlls cos α 2π 6 Vo = Vlls 1 + cos π6 + α 2π
0 ≤α ≤
Vo =
[
(
π
)]
π 6 ≤α ≤
6
5π 6
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
25
Konverter Thyristor Tiga-Fasa Setengah-Gelombang
u
iw
T3
iu
T1
io
α
vun
vvn
vwn
T2
R
AC source
Load
n
vo
iv
0
T
w
π
ωt
2π
v
S
iu
Jumlah pulsa tegangan keluaran sama dengan tiga Arus sekunder trafo mengandung komponen dc.
ωt iv
iw
Nilai rata - rata tegangan Vo =
3 2 Vlls cosα 2π
iR
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
26
13
3/12/2010
Konverter Thyristor Tiga-Fasa Setengah-Gelombang
α
vun
α
vwn
vvn
vun
0
π
ωt
2π
vwn
vvn
0
π
T1
ωt
2π
T3
T2
T3
T1
T2
vT 1
ωt
vT 1
ωt
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
27
Konverter Thyristor Tiga-Fasa io T3
T1
iu
n
α
0
iv
R
v
iw
w T4
vwn
T5
u
T2
vvn
vun
π
ωt
vo vd
ωt
T6
Jumlah pulsa tegangan keluaran sama dengan enam. Harmonisa arus masukan adalah 5,7, 11, 13,…
2π
iu
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
28
14
3/12/2010
Konverter Thyristor Tiga-Fasa Beban Resistif
α
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
29
Konverter Thyristor Tiga-Fasa Beban Resistif Tegangan rata - rata : Vo = Vo = Vo = =
π
3
+α
(
2 π ∫π6 +α
3 2
π 3 2
π
)
2Vll sin ωt − π6 d (ωt )
Vll cos α π
Vll ∫π
3
+α
0 ≤α ≤
π 3
sin (ωt )d (ωt )
π Vll 1 + cos + α π 3
3 2
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
π 3
≤α ≤
2π 3
30
15
3/12/2010
Konverter Tiga-Fasa Jembatan Beban Induktif vun
vun
iu iu
ωt
2π
0
2π
0
ωt
π
π
vun
vun
iu
iu ωt
2π
0
2π
0
π
ωt
π
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
31
Analisis Nilai rata - rata tegangan output : Vo =
3 2
π
Vllscosα
Faktor daya : PF =
Arus masukan :
3
π
cos α
∞
iu = 2
∑ Ik sin(kωt ) k = 2n -1
2 2 π /2 I1 = ∫ Io sin(ωt )d (ωt ) π /6
π
I1 =
6
π
Io
I k = I1 / k I k = 0 untuk k kelipatan 3. Iu = I o 2 / 3 Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
32
16
3/12/2010
Input current
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
33
Input current characteristic
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
34
17
3/12/2010
Pengaruh Induktansi Sumber
T1
iu
T5
T3 u
iv v
n
iw
Ls
w T2
T4
T6
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
35
Pengaruh Induktansi Sumber vun
iu
ωt
2π
0
π
vuv
vuw
Vo =
3 2
π
Vll cos α − 6 fL s I o
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
36
18
3/12/2010
Half-Controlled Thyristor Converters
io
io T1 T1
iu
T3
T2
iu
L
T5
T3
D1
L
u
u iv
iv
R
v
R
v
vo
vo
iw w
iw
w D1
D2
T2
T4
T6
D2
T3
Penyearah A
Penyearah B
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
37
Half-Controlled Rectifier (A) α
vun
vvn
vwn
α
vvn
vwn
vun
0
π
2π
0
ωt
vd
2π
ωt
vd
ωt
iu
π
ωt
ωt
iu
ωt
iw iw
iR
iR
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
38
19
3/12/2010
Konverter Tiga-Fasa Jembatan Half-Controlled (B)
ωt
ωt
ωt
ωt
iu
iu
iw
iw
iR
iR
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
39
Application Considerations • Single-phase rectifiers generate input harmonics at the order of 2p±1, where p is the pulse number. • The displacement power factor is reduced when the output voltage is reduced. • Commutation generates voltage notches across the source. • Input harmonics can be reduced by increasing the pulse number. Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
40
20
3/12/2010
Current Controller • A thyristor converter is usually operated as a current source • A thyristor converter cannot be controlled faster than the thyristor can respond • After a thyristor is turned on, the thyristor can only be turned off by the input line voltage. • By operating as a current source, the thyristor converter is inherently overcurrent protected. • A current source can paralleled easily with other current sources Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
41
Current controller for PhaseControlled Rectifiers es
Ls L
vd
io
Load
Gate driver
Reference current
+
PID
cos−1
−
Actual current Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
42
21
3/12/2010
Current-Controlled PhaseControlled Rectifiers Vo (s)
I L* ( s )
+ PID −
1 1 + sTd
3 2
π
+
Vll
−
1 sL
I L (s )
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
43
Current Control of Phase-Controlled Rectifiers
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
44
22
3/12/2010
Dual Thyristor Converter ia
ia*
+
−
Current controller
cos−1
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
45
Application Considerations • At present, thyristor converters are used only for large power applications. • The AC side always need reactive power under both rectifier and inverter operations. • The AC side current has high harmonic content. The harmonic order is pk±1 where p is pulse number and k is integer. The harmonic current can be reduced by increasing the pulse number. • Thyristor converter also generates voltage nothches due to the commutation. • It is recommended to use a special feeder (or it is better if using a dedicated transformer) to supply a thyristor converter. Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
46
23
3/12/2010
High-Current Rectifiers
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
47
High-Current Rectifiers
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
48
24
3/12/2010
High-Current Rectifiers
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
49
High-Current Rectifiers (PWM)
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
50
25
3/12/2010
DC Arc Furnace Applications
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
51
HVDC Applications • • • • •
Environmental advantages Economical advantages Asynchronous interconnections Power flow control Added benefits to the existing transmission system
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
52
26
3/12/2010
HVDC History • Hewitt’s mercury-vapour rectifier, 1901 • Experiments with thyratrons in US and mercury-arc valves in Europe in 1940s. • First commercial HVDC operation, Gotland, Sweden in 1954. • First solid-state semiconductor switches, 1970. • First microcontroller applications for HVDC in 1979. • Highest DC voltage operation (600 kVdc) for Itaipu, Brazil, in 1984. • First dc active power filter, 1994. • First capacitor commutated converter for Argentina-Brazil interconnection, 1998. • First Voltage Source Converter for HVDC in Gotland, 1999. Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
53
HVDC Topology
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
54
27
3/12/2010
HVDC Systems
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
55
HVDC Operation
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
56
28
3/12/2010
HVDC Station
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
57
AC and DC Comparison
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
58
29
3/12/2010
HVDC Technologies
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
59
HVDC Applications
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
60
30
3/12/2010
HVDC System
+/- 500 kV, 2800 MW, Kii Chanel, Japan Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
61
Thyristors for HVDC
Pekik A. Dahono : Konverter thyristor
62
31
3/12/2010
The End
32