I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8 ,   p p .   744 ~ 7 4 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 2 . pp 7 4 4 - 749           744       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   Si m ula tion M o del s o Energ y  Cable s in SPI CE       U m a   B a la j i   De p a rtme n o f   El e c tri c a a n d   Co m p u ter   S y ste m s   En g in e e rin g ,   F a irf ield   Un iv e rsit y , U n it e d   S tate s       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 2 4 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Feb   2 3 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Ma r   1 8 ,   2 0 1 8       A c c u ra te  m o d e li n g   o f   c a b les   is  im p o rtan to   stu d y   th e   b e h a v io o f   h ig h   f re q u e n c y   d istu rb a n c e i n   p o w e c o n v e rter  sy ste m s.  T h is  p a p e re v ie w a n d   c o m p a re t w o   p o p u lar  m e th o d o l o g ies   to   m o d e e n e rg y   c a b les     a n   im p ro v e d   p e u n i len g th   p a ra m e ter b a se d   m o d e a n d   a   L a p lac e   S P ICE  e le m e n b a se d   m o d e l.   T h e   t w o   m o d e ls  p re s e n ted   tak e   in to   a c c o u n th e   f re q u e n c y   d e p e n d e n c e   o f   th e   p a ra m e t e rs  o f   th e   c a b le.  A   lad d e r   n e tw o rk   is  u s e d   f o th is   p u r p o se   in   th e   p e u n it   len g th   p a ra m e ters   b a se d   m o d e l.   T h e   L a p lac e   S P ICE  e le m e n m o d e is  g e n e ra ted   f ro m   a   ra ti o n a f u n c ti o n   a p p ro x im a ti o n   f o th e   a d m it tan c e   p a ra m e ters   th a a re   fre q u e n c y   d e p e n d e n t.   T h e   ra ti o n a f u n c ti o n   a p p ro x im a ti o n   is  o b tain e d   u si n g   a   w e ll   k n o w n   v e c to f it ti n g   a lg o rit h m .     T h e   ti m e   a n d   f re q u e n c y   d o m a in   so lu ti o n s   o f   a   tw o   w ire   e n e rg y   c a b le ,   o b tain e d   f ro m   th e   tw o   m o d e ls,   a g re e   w e ll .   K ey w o r d :   E lectr o m a g n etic  i n ter f er e n ce   Hig h   f r eq u e n c y   ca b le  b eh av io r   Sp ice  ca b le  m o d el   T r an s ien t a n al y s is   T r an s m is s io n   li n e   Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   U m B alaj i   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   C o m p u ter   S y s te m s   E n g i n ee r in g ,   Fair f ield   U n iv er s it y ,   1 0 7 3 ,   No r th   B en s o n   R o ad ,   Fai r f ield ,   C T -   06444   E m ail:  u b alaj i@ f air f ield . ed u       1.   I NT RO D UCT I O N   P o w er   elec tr o n ic  s y s te m s   in   in d u s tr ial  ap p licatio n s   o f ten   u s lo n g   ca b les.  Se m ico n d u ct o r   d ev ices  u s ed   i n   s u ch   s y s te m s   g e n er ate  p u ls e s   w ith   s h o r r is e   a n d   f all   ti m es   an d   th u s   g iv e   r is e   to   h i g h   f r eq u en c y   co m p o n e n t s   in   th c u r r en t s   an d   v o lta g es   [ 1 ] .   T h h ig h   f r eq u en c y   co m m o n   m o d a n d   d if f er e n tial  m o d e   cu r r en ts   in   ca b le s   p r o d u ce   em is s io n s   t h at  ca n   ca u s u n w a n ted   elec tr o m a g n etic  i n ter f er en ce   ( E MI )   [2 ] .   T h er ef o r e,   an   ac cu r ate  m o d el  o f   th ca b les   th at  d escr ib e s   th e ir   h i g h   f r eq u e n c y   b eh a v io r   is   n ec ess ar y   to   co m p u te  t h c u r r en t s   f lo w i n g   in   th e m   a n d   t h er eb y   p r ed ict   an y   e m is s io n s   p r o d u ce d .   T h p o w er   elec tr o n ic   s e m ico n d u cto r   d ev ice s   f o r   d r iv e s   o r   o t h er   ap p licatio n s   ar e   o f te n   m o d elled   in   SP I C E   [3 ]   T h e   h ig h   f r eq u e n c y   b eh av io r al   m o d els  o f   m o to r s   w it h   th e   m o d el s   o f   t h p o w e r   elec tr o n ic  s y s te m   a n d   ca b le s   ar s i m u lated   in   SP I C E   to   p r e d ict  th elec tr o m ag n etic  i n ter f er en ce   [ 4 ] .   Hen ce ,   h ig h   f r eq u en c y   cir cu i t   m o d el  o f   ca b l in   SP I C E   is   n ec e s s ar y .   T h s i g n al s   f lo w i n g   o n   lo n g   ca b les  o f   p o w er   elec tr o n ic   s y s te m s   ar p u l s w id t h   m o d u lated   ( P W M) .   Su ch   s i g n als  ca n   b u s ed   as  ex citatio n s   in   SP I C E   to   test   th ca b le  m o d el   w h e n   th ca b le  is   ter m i n ated   in   a n y   lo ad   Ma n y   e x i s ti n g   m o d els  ar e   av a ilab le  o n   s ta n d ar d   SP I C E   s i m u lato r s   f o r   t w o   w ir ca b les .     On m o d el   b ased   o n   tr an s m is s io n   lin e   eq u atio n s   s i m u late s   a   lo s s le s s   u n if o r m   tr an s m i s s io n   li n e.   T h is   m o d el   d escr ib es  t h e   ca b le  b y   it s   c h ar ac ter is tic  i m p ed an ce   an d   s i g n al  p r o p a g ati o n   d ela y .   Si n ce   t h is   m o d el  d o es  n o in c lu d t h e   ca b le  lo s s es,  it  is   n o s u itab l e   f o r   u s in   ap p licatio n s   to   p r ed ict  E MI   w h en   lo n g   ca b les   ar u s ed .   A n o t h er   s i m p le  SP I C E   m o d el  is   b as ed   o n   ca s ca d ed   s ec tio n s   o f   p i,   o r   L - s h ap ed   eq u i v ale n cir cu i t s   o f   p er   u n it  le n g th   R ,   L ,   a n d   C   p ar a m eter s   d i s t r ib u ted   alo n g   t h ca b le.   T h e   R L GC   m o d el  i g n o r es  t h v ar iatio n   o f   th e   p er   u n it   len g th   r esis tan ce   a n d   i n d u cta n ce   w it h   f r eq u e n c y   d u e   to   th s k in   ef f ec t   a n d   p r o x i m it y   e f f ec t .   Si m ilar l y ,   t h e   v ar iatio n   o f   th p er m i tti v it y   an d   lo s s   tan g en o f   t h d ielec tr ic,   w h ic h   r esu lts   i n   i n cr ea s ed   lo s s   at   h ig h er   f r eq u en c ies,  is   n o ac co u n ted   f o r   in   t h is   m o d el.   B y   i g n o r in g   th o s p ar a m etr ic  v ar iatio n s ,   in ac cu r ate  ti m a n d   f r eq u en c y   d o m ai n   s o l u tio n s   ar o b tain ed   f r o m   s i m u latio n s .   Sev er al  m et h o d s   h a v b ee n   p r o p o s ed   to   c o r r ec t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       S imu la tio n   Mo d els o f E n erg C a b les in   S P I C E   ( Uma   B a la ji )   745   th is   b y   u s i n g   i m p r o v ed   m o d e ls   f o r   th ca b le.   S u c h   m o d els   ac co u n f o r   th v ar iatio n   o f   t h p ar a m eter s   w i th   f r eq u en c y .   O n m et h o d   h a s   b ee n   t h u s o f   a   lad d er   n et w o r k   to   m o d el  t h f r eq u e n c y   d ep e n d en ce   o f   lo s s e s   [5 ] .   A n o th er   m et h o d   h as  b ee n   to   u s r atio n al  f u n ctio n   ap p r o x i m atio n   o f   th ad m itta n ce   m atr i x   o f   th ca b le   [ 6 - 12 ] .   T h ese  t w o   m e th o d s   h a v b ee n   p r esen ted   an d   co m p ar ed   in   th i s   p ap er .         2.   T H E O RY   A cc u r ate  an a l y s is   o f   E MI   in   p o w er   co n v er ter   s y s te m s   f o r   d r iv es  r eq u ir es  h ig h   f r eq u e n c y   c ir cu i t   m o d el s   o f   a ll  t h co m p o n e n t s   in   t h s y s te m .   A   c o m m er cial   t o o l,  A NS YS - Si m p lo r er   th at  in te g r ates  m u ltip le   m o d ell in g   tec h n o lo g ies   h a s   b ee n   u s ed   to   s i m u la te  t h p o w er   elec tr o n ic  co n v er ter   s y s te m   [ 13 ] Fu r t h er   t h i s   w o r k   u s ed ,   f in ite  ele m en an al y s i s   b ase d   A NSY S - Ma x w e ll  t o   o b tain   th h ig h   f r eq u e n c y   b eh av io r al  m o d el  o f   in d u ctio n   m o to r   an d   Ma tlab - Si m u li n k   to   s i m u late  it s   co n t r o l   an d   s t u d y   f a u lt s   ca u s ed   b y   d i f f er e n d r i v e’ s   co m p o n e n t s .   T h h ig h   f r eq u e n c y   b eh a v io r al  m o d els   o f   a ll  th co m p o n en t s   i n   t h p o w er   el ec tr o n ic  s y s te m s   in cl u d in g   t h ca b les  ca n   al s o   b o b tain ed   f r o m   d if f er en s o f t w ar p la t f o r m s   a n d   s i m u lated   in   SP I C E   to   p r ed ict  EMI   [ 4 ] .   Fo r   th is   a p p r o ac h ,   t w o   m et h o d s   to   o b tain   SP I C E   ca b le  m o d el  is   r e v ie w ed   an d   p r esen ted   b elo w .   T h elec tr ical  p r o p er ties   o f   a   tr an s m is s io n   li n ar ch ar ac ter ized   b y   th p er   u n it  le n g t h   p ar am eter s   R ,   L ,   G   a n d   C .   T h cir cu it   t h e o r y - b ased   d ef in i tio n s   o f   t h p ar am eter s   ar e   r elate d   to   th e   s to r ed   elec tr ic  a n d   m ag n etic   en er g ies,  a s   w ell   as  th e   p o w er   lo s s   a n d   o b tain ed   f r o m   f ield   t h eo r y - b as ed   an al y s is   o f   t h e   tr an s m is s io n   li n [ 1 4 ] .   T h e   tr an s m i s s io n   li n e s   p ar a m eter s   of   s o m co m m o n   lin e s   s u ch   a s   co ax ial,   t w o   w ir e   an d   p ar allel  p late  ar d eter m i n ed   at  lo w   f r eq u en c y   u s in g   an a l y tical   tech n iq u es T h l u m p e d   p ar am eter   SP I C E   m o d el   o f   th e   tr an s m is s io n   l i n is   o b tai n ed   b y   u s in g   a   n u m b er   o f   L - s h ap ed   s ec tio n s   o f   t h e   R L G C   p ar a m eter s   di s tr ib u ted   alo n g   t h e   le n g th   o f   th ca b le .   I f   n   s ec tio n s   ( L - s h a p ed )   ar u s ed   p er   u n it   len g t h   as   s h o w n   in   Fi g u r e 1 ,   th l u m p ed   ele m en v alu e s   in   ea c h   s e ct io n   ar R / n ,   L /n .   G/n   a n d   C / n .   T h f ir s a n d   las s er ies  b r an c h es   ar e   h al f   s ec tio n s   w i th   l u m p ed   elem en ts   R /( 2 n )   an d   L /( 2 n )   to   k ee p   th lin s y m m etr ic .   T h er s h o u ld   b en o u g h   s ec tio n s   i n   t h m o d el  to   e n s u r th at   ea ch   s ec t io n   r ep r ese n ts   t h le n g th   o f   th e   li n t h at   is   s m all   f r ac tio n   o f   t h w a v ele n g t h   ( λ /2 0 )   at  t h h i g h est  f r eq u en c y   o f   t h s i g n al   f l o w i n g   o n   th e   li n e .   Dep en d i n g   o n   t h r i s ti m e   of   th e   ti m d o m ai n   s i g n al,   t h e   h i g h e s f r eq u en c y   co m p o n en o n   th lin is   es ti m ated   as  0 3 5 /( r is ti m e) .     So m e   d esig n er s   u s th e   esti m ate  o f   1 /( r is ti m e)   f o r   th h i g h est  f r eq u en c y   co m p o n en t.  I n   p r ac tice,   b y   ch o o s i n g   t h e   n u m b er   o f   s ec tio n s   to   b lar g en o u g h   in   t h m o d el ,   th e   s y s t e m   b eh av io r   w it h   lo n g   ca b le   is   p r ed icted   in   th ti m e   an d   f r eq u e n c y   d o m ai n s .   Ho w e v er ,   th is   m o d el  i s   s till   i n s u f f ic ien t   to   d escr ib t h e f f ec ts   o f   ca b le  le n g th   o n   s ig n al   f lo w ,   as  t h p er   u n i len g t h   p ar am e ter s   ar f r eq u en c y   d ep en d en t.   I n   o r d er   to   d eter m i n th e   p ar am eter   v al u es  at   h ig h   f r eq u en cies,  n u m er ical  tec h n iq u es ,   s u c h   as  t h f in i te  ele m e n m et h o d ,   a r u s ed   [ 15 ] T h eir   v ar iatio n s   w it h   f r eq u e n c y   ar e   later   ac co u n ted   in   t h e   SP I C E   m o d el.   O n m et h o d   to   ac co u n t   f o r   t h f r eq u en c y   d ep en d e n ce   o f   th p ar am eter s   is   th e   u s o f   a   lad d er   n et w o r k   i n   t h m o d el  [ 5 ] .   T h lo s s es  d u t o   s k i n   ef f ec t,  ca u s i n g   t h ca b le  b eh a v io r   to   b f r eq u en c y   d ep en d en t,  ar e   m o d elled   b y   t h R L   lad d er   n et w o r k .   T h is   lad d er   n et w o r k   i s   u s ed   i n   p lace   o f   a   s i n g le  R   a n d   L   i n   t h s er ie s   b r an c h   o f   Fi g u r e   1 .   T h e   f r eq u en c y   d ep en d en t   v ar iatio n   o f   th r e al  an d   i m a g i n ar y   co m p o n e n t s   o f   p er m itti v it y   o f   t h e   d ielec t r ic  m ater ial  o f   t h ca b le  is   m o d elled   w it h   a n   R C   lad d er   n et w o r k .   T h is   lad d er   n et w o r k   is   u s ed   i n   p lace   o f   a   s i n g le   G   an d   C   i n   th e   s h u n t b r an ch   o f   Fig u r 1 .               Fig u r e   1 .   T r an s m i s s io n   L in Mo d el  w it h   n   Sect io n s   o f   P er   Un it L e n g th   P ar a m eter s   R ,   L ,   an d   C   Dis tr ib u ted   o n   U n it  L e n g t h   o f   th C ab le     Fig u r e   2 .   C r o s s - s ec tio n   o f   th T w o   W ir C ab le:  Dia m eter   o f   t h W ir es D 2   1 . 3 8 m m ,   Dia m eter   o f   th P VC   C o v er in g   o f   W ir es D 1   2 . 88 m m ,   Dia m eter   o f   t h R u b b er   Sh ield   Ov er   th t w o   W ir es D 3   8 . 7 m m ,   R elati v P er m itti v it y   o f   R u b b er   2 . 3 ,   C o n d u ctiv it y   o f   th   W ir es = 4 5 . 9 4 MS/ m       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   744     749   746   An o th er   m et h o d   to   ac co u n f o r   f r eq u en c y   d ep en d e n ce   o f   p er   u n it  le n g t h   p ar a m eter s   is   b y   d ir ec tl y   u s i n g   f r eq u e n c y   d ep en d en el e m en ts   i n   t h SP I C E   m o d el.   T o   d o   th is ,   L ap lace   SP I C E   el e m en ts   ar e   u s ed   to   r ep r esen th f r eq u e n c y   d ep en d en ad m itta n ce   p ar a m e ter   m a tr ix   o f   t h lo n g   ca b le.   A   v ec to r   f itti n g   alg o r it h m   ap p r o x im a tes  t h ad m itta n ce   p ar am eter   m atr ix   o f   th ca b l as  f u n ctio n   o f   f r eq u e n c y   [ 9 ]   w it h   r atio n al   f u n ctio n   i n   th L ap lace   d o m a in .   A   L ap lace   SP I C E   ele m en is   t h en   u s ed   to   r ep r esen t h r atio n al  f u n ctio n   ap p r o x im a tio n .   A   m o d el  th at  ch ar ac ter izes  t h tr an s m is s io n   lin w i th   t h f r eq u e n c y   d ep e n d en e f f ec ts   i s   t h u s   o b tain ed .   T h r esu lts   f r o m   th lad d er   n et w o r k   SP I C E   m o d el  an d   L ap lace   ele m en t SP I C E   m o d el  ar co m p ar ed   h er e.   T h lad d er   n et w o r k   m o d el  f o r   t w o   w ir ca b le,   as  p r esen ted   i n   [ 5 ] ,   h as  b ee n   ca lc u lated   h er f o r   t h e   p u r p o s o f   co m p ar i n g   t h t w o   m et h o d s .     2. 1 .     L a dd er   Net wo rk   M o del   f o a   T w o   Wire  Ca ble     T h cr o s s   s ec tio n   o f   1   m   t w o   w ir u n s h ield ed   en er g y   c ab le  is   s h o w n   i n   Fi g u r e   2 .   Us in g   f in ite  ele m e n m et h o d - b ased   elec tr o m ag n etic  s o l v er   to o l   ( A NSY S - HF SS ) ,   th R L G C   p ar a m eter s   o f   th i s   ca b le  w er o b tain ed   o v er   t h f r eq u e n c y   r an g e   1 0 KHz  -   1 0 0 MH z.   T h es p a r a m eter s   ca n   b also   d eter m i n ed   w it h   a   v ec to r   n et w o r k   a n al y ze r .   T h 1 m   lo n g   t w o   w ir ca b le  w as  m o d elled   w ith   n u m b er   o f   s ec tio n s ,   n   3 2 .   T h ti m e   d o m ai n   p u l s w it h   r is ti m o f   1 0 n s   w a s   u s ed   to   test   t h m o d el   ( h ig h e s f r eq u e n c y   co m p o n en o f   1 0 0 MH z) .     W ith   3 2   s ec tio n   p er   m eter   o f   ca b le ,   th len g t h   o f   ea ch   s ec tio n   w as  m u c h   lo w er   th a n   λ / 2 0   at  1 0 0 MH z.   T h e   v ar iatio n s   o f   r es is ta n ce   a n d   in d u ctan ce   w i th   f r eq u e n c y   ( s er i es  b r an ch   o f   Fi g u r e   1 )   ar r ep r esen ted   b y   a n   R L   lad d er   n et w o r k   s h o w n   i n   F ig u r e   3 .   A   least  s q u ar c u r v e   f itti n g   alg o r it h m   w a s   u s ed   to   d ete r m in e   t h ele m en ts   o f   t h lad d er   n et w o r k .   T h i s   alg o r ith m   m i n i m ized   t h d i f f er en ce   in   eq u i v ale n t   i m p ed an ce s   o f   t h la d d er   n et w o r k   an d   th s er ie s   b r an ch   o f   th ca b le   in   th f r eq u en c y   r an g e .   T h v ar iatio n s   o f   co n d u cta n ce   an d   ca p ac itan ce   p ar a m eter s   ( s h u n t   b r an ch   o f   Fi g u r e   1 )   w i th   f r eq u en c y   ar r ep r esen ted   b y   t h R C   lad d er   n et w o r k   s h o w n   i n   Fi g u r e   4 .   Usi n g   t h s a m e   least   s q u a r cu r v f it tin g   al g o r ith m ,   th e   d if f er en ce   i n   ad m itta n ce s   o f   th e   lad d er   n et w o r k   an d   th s h u n b r an ch   w er m in i m ized .   A   SP I C E   s u b   cir cu its   n etli s f o r   Fig u r e   3   an d   Fig u r e   ar w r itte n   w it h   t h d eter m in e d   lad d er   n et w o r k   ele m e n v alu es.    T h SP I C E   m o d el   f o r   t h ca b le  is   cr ea ted   b y   in cl u d in g   3 2   s ec tio n s   o f   th s u b   cir cu its   in   t h n etli s t.   T h m o d el  h as  b ee n   v al id ated   b y   co m p ar in g   th i n p u i m p e d an ce s   o f   th 1 m - lo n g   ca b le  ter m in a ted   w it h   eith er   s h o r o r   o p en   c ir cu it.  T h e x p er i m e n tal  r es u lts   f o r   th e s co n f i g u r atio n s   f r o m   [ 5 ]   h a v b ee n   co m p ar ed   w it h   t h m o d el   o b tain ed   in   th i s   w o r k   a s   s h o w n   i n   Fig u r 5 .   A l th o u g h   t h r ec alc u lated   v al u e s   o f   t h e   ele m e n ts   o f   th lad d er   n et w o r k   v ar y   s li g h tl y   f r o m   th o r i g i n al   w o r k ,   t h s i m u lated   i m p e d an ce s   ar in   g o o d   ag r ee m e n w it h   t h m ea s u r e m en ts .   T h ti m d o m ai n   r esp o n s o f   th ca b le  to   4 0 p u ls w it h   r is an d   f a l ti m o f   1 0 n s   is   s h o w n   in   Fig u r e   6 .   T h ap p lied   in p u 4 0 p u ls w a s   id en tical  to   th p u ls in   [ 5 ]   an d   th tr an s ie n r esp o n s s i m u latio n   f r o m   t h is   w o r k   ag r ee s   w ell  w i t h   m ea s u r e m e n ts   [ 5 ] .   T h is   s o l u tio n   is   f u r th er   co m p ar ed   w it h   t h m o d el  o b tain ed   f r o m   t h ad m itta n ce   p ar a m ete r   m a tr ix   o f   t h ca b le.               Fig u r 3 .   R L   lad d er   n et w o r k .   Fo r   th 1 m   ca b le  o f   Fig u r e .   2   w it h   3 2   s ec tio n s ,   R 1 =1 . 5 e - 1 Ω R 2 =9 . 9 0 2 1 e - 2 Ω ,   R 3 =7 . 5 1 2 5 e - 2 Ω ,   R 4 =4 . 2 5 e - 2 Ω R 5 =6 . 9 2 4 6 e - 3 Ω ,   L 1 =5 . 0 0 0 2 e - 1 3 H,   L 2 =6 . 0 7 3 3 e - 1 1 H,   L 3 =6 . 0 7 3 3 e - 1 1 H,   L 4 =3 . 4 3 9 2 e - 1 0 H,   L 5 =1 . 7 1 5 8 e - 0 8 H.     Fig u r 4 .   R C   lad d er   n et w o r k .   Fo r   th 1 m   ca b le  o f   Fig u r e.   2   w it h   3 2   s ec tio n s ,   R 1 =6 . 5 1 9 9 e8 Ω ,   2 =4 . 5 6 1 1 e6 Ω ,   R 3 =7 . 0 9 8 7 e 6 Ω ,   R 4 =1 . 3 7 9 7 e7 Ω ,   R 5 =4 . 2 3 5 7 e9 Ω ,   C 1 =0 . 5 4 0 1 8 e - 1 5 F,  C 2 =1 . 3 4 7 5 e - 1 5 F,  C 3 =2 . 9 3 4 2 e - 1 5 F,  C 4 =1 . 9 0 2 6 e - 1 5 F,  C 5 =1 . 6 5 e - 1 2 F.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       S imu la tio n   Mo d els o f E n erg C a b les in   S P I C E   ( Uma   B a la ji )   747   2 . 2     L a pla ce   SPICE   ele m ent   m o de l f o a   t w o   w ire  c a ble     T h e ad m ittan ce m atr i x   o f   a n etwo r k   r el ates  th e cu r r en to   th v o ltag es  at each   o f   its   p o r ts   [ 1 4 ] .   A t wo   wir e   cab le  o f   an y   len g th   f o r m s   tw o   p o r n etwo r k .   F o r   two   p o r n etwo r k ,   th eq u ati o n   b elo s h o ws  th r elatio n s h ip   b etween   cu r r en an d   v o ltag e at  t h e in p u ( p o r 1 )   an d   o u t p u ( p o r 2 ) .                                                           Sin ce   th ca b le  is   r ec ip r o ca n et w o r k ,                 T h ad m itta n ce   p ar a m eter s   m atr i x   o f   th ca b le   ca n   b m ea s u r ed   u s i n g   v e cto r   n et w o r k   an a l y ze r   o v er   a   d esire d   f r eq u en c y   r an g e.   T h is   r eq u ir es  p laci n g   ap p r o p r iate  co n n ec to r s   b et w ee n   th ca b le  an d   th n et w o r k   an al y ze r   an d   i m p ed an ce   ter m i n a tio n   o f   5 0     at   th en d   o f   ca b le .   T h ad m itta n ce   p ar am eter s   m atr ix   o f   t h t wo   w ir ca b le  ca n   also   b o b t ain ed   f r o m   f i n ite   ele m e n an al y s is   s o f t w ar e.   F o r   1 m   lo n g   ca b le  w it h   th cr o s s - s ec tio n   s h o w n   i n   Fi g u r 2 ,   th ad m itta n ce   p ar am eter   m atr ix   h as  b ee n   o b tain ed   f r o m   f in i te  ele m e n s o lv er   ( A NS YS - HF SS )   o v er   f r eq u en c y   r an g o f   1 0 KHz - 1 0 0 MH z.               Fig u r 5 .   I n p u t I m p ed an ce   o f   1 m   C ab le  T er m i n ated   in   S h o r t Ci r cu i t ( SC )   an d   Op e n   C ir c u it ( OC )     Fig u r 6 .   T r an s ien R esp o n s o f   1 m   C ab le  T er m in ated   i n   7 5 0     L o ad ,   C o n n ec ted   to   5 0     So u r ce   an d   an   I n p u t P u ls o f   4 0 ( Star ts   at  t =   3 0   n s   w it h   R is T i m o f   1 0 n s ,   D u r atio n   1 5 0 n s ,     Fall T im o f   1 0 n s )       T h ad m it tan ce   p ar a m e ter s   o b tain ed   ar e   f u n c tio n   o f   f r eq u e n c y   a n d   th er e f o r ca n   b ex p r ess ed   as  a   f u n ctio n   in   th L ap lace   d o m a in   (                .   A   r atio n al  f u n ctio n   ap p r o x i m at io n   o f   t h ad m itta n ce   m atr i x             is   d et e r m in ed   b y   u s i n g   th v ec to r   f itti n g   al g o r ith m   [9 ] .     T h ad m itta n ce   p ar a m eter s ,   o r   in   o th er   w o r d s ,   th ele m e n ts   o f   t h m atr i x             o f   t h n et w o r k   ar e x p r ess ed   i n   p o le  r esid u f o r m   b y   t h i s   a lg o r ith m   a n d     ar g iv e n   as:                                                            W h er th p o les          to             ar ei th er   r ea o r   c o m p le x   co n j u g ate   p air s ,   th eir   co r r esp o n d in g   r esi d u e s            ar   eith er   r ea o r   co m p lex   co n j u g ate  p air s ,   an d   is   r ea l.  T h v ec to r   f itti n g   al g o r ith m   ex p r ess es  all  th e   p ar am eter s   i n   t h e   ad m itta n ce   m atr i x   w it h   t h s a m s e o f   p o les  an d   d i f f er en t   r esid u es   u n les s   t w o   o f   th e   p ar am eter s   in   t h ad m it tan ce   m atr i x   ar eq u al.   Fo r   cir cu it  s i m u latio n ,   th e   r atio n al  f u n ctio n   ap p r o x i m atio n   s h o u ld   s atis f y   s tab ili t y ,   ca u s alit y ,   a n d   p ass iv it y   cr iter ia.   T h v ec to r   f itti n g   al g o r ith m   [ 9 ]   cr ea tes  an   ap p r o x i m atio n   t h at  i s   s tab le  an d   ca u s al.   T h alg o r ith m   p r esen ted   i n   [ 1 6 ]   e n s u r es  p ass i v it y   b y   ch ec k i n g   w h et h er   th eig e n v al u es  o f                    m atr i x   ar p o s itiv f o r   all   f r eq u en cie s .   I f   th cr iter io n   i s   n o s atis f ied ,   it   u s es  a   p er tu r b atio n   tech n iq u e   to   r ef o r m u lat e   t h e   r atio n al  f u n c tio n   ap p r o x i m at io n .   A   t w o   p o r ad m itta n ce   m atr ix   ca n   b r ep r esen ted   b y   an   eq u i v alen n et w o r k   in   p to p o lo g y   [ 1 4 ] .   T h e   ad m itta n ce   p ar a m eter s   f o r m   th b r an ch e s   in   t h p to p o lo g y   n et w o r k .   T r ad itio n ally ,   s tan d ar d   n et w o r k   0.1 1 10 10 0 10 00 10 000 10 0000 0.1 1 10 10 0 Z ( Ω ) Fr e q u e n c y   (M H z) Me asure d  (S C) La p lace Lad d e r Me asure d  (O C) La d d e r La p lace - 300 - 200 - 100 0 10 0 20 0 30 0 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 Cu r r e n (m A ) Ti m e  ( n s) Me as u re d La p lace La d d e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u n 2 0 1 8   :   744     749   748   ele m e n ts   r ep r ese n t h ad m ittan ce   p ar a m eter s .   W h e n   r atio n al  f u n ctio n   ap p r o x i m at i o n s   o f   ad m it tan ce   p ar am eter s   ar in   th L ap lace   d o m ai n ,   th b r an ch e s   o f   th p i   to p o lo g y   ca n   b r ep lace d   w it h   th ese  f u n ctio n s   as   s h o w n   i n   Fi g u r e   7 .   E ac h   o f   t h ter m s   i n   th r atio n al  f u n ct i o n   ap p r o x i m atio n   ca n   b r ep r esen ted   a s   L ap lace   ele m e n ts   i n   SP I C E .   B y   u s i n g   p to p o lo g y ,   t h er ar n o   SP I C E   n o d es  in s id t h t w o   p o r ts   o f   th ca b le.   Ho w e v er ,   th er ar a s   m an y   p ar allel  L ap lace   SP I C E   ele m en ts   b et w ee n   t h n o d es  as   th n u m b er   o f   p o les   ( co r r esp o n d in g   to   t h ter m s   i n   s u m m at io n )   u s ed   in   ap p r o x i m atin g   t h a d m ittan ce   p ar a m ete r .   Fo r   ex a m p le,   t h e   L ap lace   SP I C E   ele m en o f            co r r esp o n d in g   to ,   s a y ,   th f ir s (       )   p o le          ( ass u m ed   to   b r ea l)   is   g iv e n   as:   GXXX   m   n   L A P L AC E   {V( m , n ) {                        }   Fo r   co m p lex   co n j u g ate  p o le  p air ,   s ay ,           an d   its   co n j u g ate,   t h L ap lace   SP I C E   ele m en t is  g iv e n   as :   GXXX   m   n   L A P L AC E   {V( m , n ) {(           )                       }   w h er th v al u es o f   B ,   C ,   A ,   an d   E   ar e :       -   2*                                  -           -   2*                    T h co n s tan        is   r ep r esen ted   in   SP I C E   as:   GXXX     m   n   L A P L AC E   {V( m , n ) {      }   A ll  t h p o les  o f   th r atio n al   f u n ctio n   a n d   D mn   ar ex p r ess ed   as  ele m e n ts   ( Vo ltag e   d ep en d e n t   cu r r en s o u r ce )   i n   t h e   SP I C E   n etli s t.  Si m i lar l y ,   a ll  b r an c h es   in   th e   p to p o lo g y   ar e x p r ess ed   as  e le m e n t s   to   cr ea te  SP I C E   m o d el  o f   th ca b le.   Fo r   th 1 m - lo n g   t w o   w ir ca b le,   a   r atio n al  f u n c tio n   ap p r o x i m atio n   w ith   a s   f e w   a s   2 0   p o les  is   s u f f icie n t o   m o d el  th e   ca b le.   T h co m p u ted   an d   t h e   m ea s u r ed   [ 5 ]   v a lu es  o f   i m p ed an ce   w h e n   ter m in ated   in   s h o r an d   o p en   cir cu it s ,   as  s h o w n   i n   Fig u r e   2 ,   ar f o u n d   to   a g r ee   w ell .   T h ti m d o m a i n   r esp o n s o f   th e   ca b le  to   4 0 p u ls w it h   r i s a n d   f al ti m es  o f   1 0 n s   is   s h o w n   t o   ag r ee   w ell  w i t h   m ea s u r e m e n t s   [ 5 ]   an d   th lad d er   n et w o r k   r ep r esen tatio n .   T h e   co m p u ta tio n   w a s   r ep ea ted   f o r   1 0 m   lo n g   ca b le  o f   th e   s a m cr o s s   s ec tio n .   B o th   m o d els  w er e   test ed   in   ti m d o m ai n   b y   ap p l y in g   4 0 p u ls o f   1 0 n s   r is e   ti m e.   T h r esu lt s   o b tain ed   f r o m   th t w o   m o d el s ,   as sh o w n   i n   Fi g u r e   8 ,   ag r ee   well.               Fig u r 7 .   T w o   P o r t N et w o r k   Mo d el  o f   t w o   W ir C ab le  w ith   A d m itta n ce   P ar a m eter s   in   L ap lace   Do m ain     Fig u r e   8 .   T r an s ien R esp o n s o f   1 0 m   C ab le  T er m in ated   i n   7 5 0   Oh m   L o ad ,   C o n n ec ted   to   5 0   Oh m   So u r ce   an d   an   I n p u t P u ls o f   4 0 ( Star ts   at  t=4 0 n s   w it h   R is T i m e   o f   1 0 n s ,   D u r at i o n   1 9 0 n s ,   Fall T im o f   1 0 n s )       3.   CO NCLU SI O N   T w o   SP I C E   m o d el s   h av b ee n   o b tain ed   to   s i m u late  a   s y s te m   t h at  u s e s   lo n g   ca b le  a n d   s w itc h in g   p u ls es  w i th   s h o r t r is ti m es.  T h L T s p ice  s i m u lato r   w a s   u s e d   to   s i m u la te  th s y s te m .   Fro m   th s i m u latio n   o f   a   lo n g   ca b l ( 1 m   a n d   1 0 m ) ,   it  i s   o b s er v ed   th at  b o th   m o d els  p r esen s o l u tio n s   w it h   g o o d   ac cu r ac y .   T h lad d er   n et w o r k   m o d el  is   co m p o s ed   o f   s e v er al  i n ter n al  n o d es  in   t h e   ca b le,   w h ile  th e   L ap lace   SP I C E   ele m en t   m o d el  r eq u ir es  n o   in ter n al  n o d es  to   r ep r esen th ca b le.   T h n u m b er   o f   in ter n al  n o d es  in cr ea s e s   w ith   th le n g th   o f   th ca b le  i n   t h lad d er   n et w o r k   m o d el.   T h SP I C E   cir cu it  m o d el  n etl is f o r   th e   ca b le  u s i n g   L ap lace   ele m e n t s   - 400 - 300 - 20 0 - 100 0 10 0 20 0 30 0 40 0 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 Cu r r e n (m A ) Ti m e  ( n s) La d d e r La p lace Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2088 - 8 694       S imu la tio n   Mo d els o f E n erg C a b les in   S P I C E   ( Uma   B a la ji )   749   h as  f e w er   lin e s .   Ho w e v er ,   th co m p u tatio n   ti m e s   to   p er f o r m   ti m d o m ai n   s i m u latio n   u s i n g   t h L ap lace   SP I C E   ele m e n t   m o d el  ar e   lo n g er   t h an   t h o s o f   t h lad d er   n et w o r k   m o d el.   T h i s   i s   d u e   to   th f ac t   th a w h ile   p er f o r m in g   tr an s ien a n al y s i s   in   SP I C E ,   th i m p u l s r esp o n s o f   th L ap lace   ele m e n ts   ar ca lcu lated   an d   co n v o lv ed   w it h   i n p u s ig n al.   I f   th m o d el  ar r iv ed   at  u s i n g   L ap lace   ele m en t s   is   n o p ass iv e,   n u m er ical   in ac cu r ac y   r es u lts .   I f   s tep s   ar tak en   to   av o id   t h is   p r o b le m   w h en   s y n t h esiz in g   t h m o d el ,   ac cu r ate  tr an s ie n an al y s is   ca n ,   h o w e v er ,   b r ea lized .   A l th o u g h   eit h er   o f   th e   m et h o d s   u s ed   to   o b tain   a   SP I C E   m o d el  f o r   th e   ca b le  is   ap p r o p r iate  in   ter m s   o f   ac cu r ac y ,   t h u s o f   v ec to r   f itti n g   al g o r ith m   to   o b tai n   m o d el   is   f o u n d   to   b e   eleg an an d   li k el y   to   b e   m o r s u itab le  f o r   m u lt ico n d u cto r   ca b les.       RE F E R E NC E S   [1 ]   W e Z. ,   T h e   El e c tro m a g n e ti c   In terf e re n c e   M o d e A n a l y sis  o f   t h e   P o w e S w it c h in g   De v i c e s” ,   T EL KOM NIKA  In d o n e sia n   J o u rn a o El e c trica En g i n e e rin g ,   V o l.   1 1 ,   N o .   1 ,   p p . 1 6 7 72 ,   2 0 1 3 .   [2 ]   Cla y to n   R.   P a u l,   I n tro d u c ti o n   to   El e c tro m a g n e ti c   Co m p a ti b il it y ,   Jo h n   W il e y   &   S o n s,  2 0 0 6 .   [3 ]   G ian lu c a   S e n a ,   Ro b e rto   M a ra n i,   G e n n a ro   G e lao ,   A n n a   G in a   P e rri,   A   Co m p a ra ti v e   S tu d y   o f   P o w e r   S e m ico n d u c t o r   De v ice f o r   In d u strial  P W M   In v e rters ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o Po we E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ( IJ PE DS ) , V o l.   7 ,   No .   4 ,     p p .   1 4 2 0 - 1 4 2 8 De c e m b e 2 0 1 6 .   [4 ]   N.  Id ir  a n d   Y.  W e e n a n d   M .   M o re a u   a n d   J.  J.   F ra n c h a u d ,   Hig h - F re q u e n c y   Be h a v io M o d e ls  o f   A C   M o t o rs” ,   IEE E   T ra n .   O n   M a g n e ti c s Vo l:   4 5 ,   No . 1 ,   p p .   1 3 3     13 ,   Ja n .   2 0 0 9 .   [5 ]   Y.W e e n s,  N.  Id ir,   R.   Ba u iere ,   a n d   J .   J.   F ra n c h a u d ,   M o d e li n g   a n d   sim u latio n   o f   u n s h ield e d   a n d   sh ield e d   e n e rg y   c a b les   in   F re q u e n c y   a n d   T i m e   d o m a in s” ,   IEE T ra n s .   On   M a g n e ti c s ,   V o l.   4 2 ,   N o .   7 ,   p p .   1 8 7 6 - 1 8 8 2 ,   De c e m b e r   2 0 1 6 .   [6 ]   B.   G u sta v se n   a n d   A .   S e m l y e n ,   Ra ti o n a a p p r o x im a ti o n   o f   f re q u e n c y   d o m a in   re sp o n se   b y   V e c to r   F it ti n g ,   IEE E   T ra n s.  Po we r De li v e ry ,   V o l.   1 4 ,   No .   3 ,   p p .   1 0 5 2 - 1 0 6 ,   ,   Ju ly   1 9 9 9 .   [7 ]   B.   G u sta v s e n ,   Im p ro v in g   th e   p o le  re lo c a ti n g   p r o p e rti e o f   v e c t o f it ti n g ,   IEE T ra n s.   Po we De li v e ry ,   V o l .   2 1 ,     N o .   3 ,   p p .   1 5 8 7 - 1 5 9 2 ,   Ju ly   2 0 0 6 .   [8 ]   D.  De sc h rij v e r,   M .   M ro z o w s k i,   T .   Dh a e n e ,   a n d   D.  De   Zu tt e r,   M a c ro m o d e li n g   o f   M u lt ip o rt  sy s tem u sin g   a   F a st  im p le m e n tatio n   o f   V e c to F it ti n g   M e th o d ,   IEE M icr o wa v e   a n d   W ire les Co mp o n e n ts  L e tt e rs V o l .   1 8 ,   N o .   6 ,   p p . 3 8 3 - 3 8 5 ,   J u n e   2 0 0 8 .   [9 ]   T h e   V e c to f it ti n g   w e b site  -   h tt p s: // ww w . sin te f . n o /p r o jec tw e b /v e c t fit /    M a y   1 5 th   2 0 1 7 .   [1 0 ]   Iv ica   S tev a n o v ic,  Be rn a rd   W u n sc h ,   G ian   L u ig M a d o n n a ,   S tan islav   S k ib in ,   Hig h - F re q u e n c y   B e h a v io ra M u lt ico n d u c to Ca b le M o d e li n g   f o EM S im u latio n s in   P o w e El e c tro n ics ,   IEE T r a n s.  On   I n d u st ria In f o rm a ti c s V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   p p .   1 3 9 2 - 1 4 0 0 ,   M a y   2 0 1 4 .   [1 1 ]   El S tee n p u t,   A   S p ice   c ircu it   c a n   b e   s y n th e siz e d   w it h   a   sp e c i f ied   se o f   S - p a ra m e ter s” ,   V rij e   Un iv e rsiteit  Bru ss e l,   p p   1 - 1 2 .   [1 2 ]   A n to n i je  R.   Djo rd jev ic,   S P ICE - Co m p a ti b le  M o d e ls  f o M u lt ic o n d u c to T ra n sm issio n   L in e in   L a p lac e - T ra n s f o r m   Do m a in ,   IEE T ra n s .   o n   M icr o wa v e   T h e o ry   a n d   T e c h n i q u e s ,   Vo l.   4 5 ,   N o .   5 ,   p p .   5 6 9 - 5 7 9 ,   M a y   1 9 9 7 .   [1 3 ]   Ye m n a   Be n sa le m   a n d   M o h a m e d   Na c e u A b d e lk rim ,   M o d e li n g   a n d   S im u latio n   o f   In d u c ti o n   M o to b a se d   o n   F in it e   El e m e n A n a l y sis” ,   In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   o f   Po we E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ( IJ PE DS ) ,   Vo l.   7 ,     No .   4 ,   p p .   1 1 0 0 - 1 1 0 9 ,   De c e m b e 2 0 1 6 .   [1 4 ]   Da v id   M .   P o z a r,   M icro w a v e   En g in e e rin g ,   Jo h n   W il e y   &   S o n s,   1 9 9 8 .   [1 5 ]   S a rh a n   M .   M u sa   a n d   M a tt h e w   N .   O.  S a d ik u ,   F i n it e   El e m e n A n a l y sis  f o F iv e   T ra n s m issio n   L in e in   M u lt i lay e r   Die lec tri c   M e d ia” ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o Ad v a n c e in   Ap p li e d   S c ien c e ( IJ AA S )   V o l .   1 ,   N o .   4 ,     p p .   1 8 1 - 1 9 0 De c e m b e 2 0 1 2 .   [1 6 ]   B.   G u sta v se n   a n d   A .   S e m l y e n ,   En f o rc in g   p a ss iv it y   f o A d m it tan c e   M a tri c e a p p ro x im a ted   b y   ra ti o n a f u n c ti o n s” ,   IEE T ra n s.  P o we r sy ste ms ,   V o l .   1 6 ,   N o .   1 ,   p p . 9 7 - 1 0 4 ,   Ja n   2 0 0 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.