I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   Vo l. 6 ,   No . 3 Dec em b er   201 7 ,   p p .   1 9 9 ~ 2 1 0   I SS N:  2 2 5 2 - 8792 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 6 . i3 . p p 1 9 9 - 210          199       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J APE   Reduced  Rati ng  3 0 - p ulse AC - DC  C o nv erte r f o r   Po w er Q ua lity I mpro v e m en t       Ro ho lla h Abdo lla hi   De p a rt m e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   T e c h n ica a n d   Vo c a ti o n a U n iv e rsity   (Qo m   Bo y T e c h n ica Co ll e g e ),   Qo m ,   Ira n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct   9 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   No v   1 4 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   No v   2 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts   th e   d e sig n   a n d   a n a ly sis  o f   a   n o v e p o ly g o n   c o n n e c ted   a u to tran sf o rm e b a se d   3 0 - p h a se   a c - d c   c o n v e rter  w h ich   su p p li e Dire c t   T o rq u e   Co n tro ll e d   I n d u c ti o n   M o to r   Driv e s   (DT CIM D’s in   o rd e to   h a v e   b e tt e p o w e q u a li ty   c o n d it i o n s   a th e   p o i n o f   c o m m o n   c o u p li n g .   T h e   p ro p o se d   c o n v e rter  o u tp u v o lt a g e   is  a c c o m p li sh e d   v ia  th re e   p a ra ll e led   1 0 - p u lse   a c - d c   c o n v e rters   e a c h   o th e m   c o n sistin g   o f   5 - p h a se   d io d e   b ri d g e   re c ti f ier.  A n   a u to tran sf o rm e is  d e sig n e d   to   su p p ly   th e   re c ti f iers .   T h e   p ro p o se d   c o n v e r ter  re q u ires   o n ly   th re e   in ter - p h a se   tran sf o r m e rs  in   th e   d c   li n k   th a lea d to   th e   re d u c e d   k il o v o lt   a m p e re   ra ti n g ,   siz e ,   we ig h t,   a n d   c o st  o f   th e   p ro p o se d   re c ti f ier.  T h e   d e sig n   p r o c e d u re   o f   m a g n e ti c is   in   a   wa y   su c h   th a m a k e it   su it a b le  f o re tro f it   a p p li c a ti o n w h e re   a   six - p u lse   d io d e   b rid g e   re c ti f ier  is  b e in g   u ti li z e d .   T h e   a f o re m e n ti o n e d   stru c tu re   im p ro v e p o w e r   q u a li ty   c rit e ria  a a c   m a in a n d   m a k e th e m   c o n siste n w it h   th e   IEE E - 5 1 9   sta n d a rd   re q u irem e n ts  f o v a r y i n g   lo a d s.  F u rth e rm o re ,   n e a u n it y   p o we r   f a c to is  o b tain e d   f o a   w id e   ra n g e   o f   DT CIM o p e ra ti o n .   A   c o m p a riso n   is  m a d e   b e tw e e n   6 - p u lse   a n d   p r o p o se d   c o n v e rters   f ro m   v i e w   p o in t   o f   p o w e q u a li ty   in d ice s.  Re su lt sh o w   th a in p u c u rre n T o tal  Ha rm o n ic   Disto rti o n   (T HD is  les s th a n   3 %   f o th e   p r o p o se d   t o p o l o g y   a v a riab le l o a d s.   K ey w o r d :   3 0   p u ls r ec tif ier   AC DC   co n v er ter   No v el  p o l y g o n   au to tr a n s f o r m e r   p o w er   q u alit y     Co p y rig h ©   201 7   In s t it 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 :   R o h o lla h   A b d o llah i,    Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,     T ec h n ical  an d   Vo ca tio n al  U n i v er s it y   ( Qo m   B o y s   T ec h n ical  C o lleg e) ,   Qo m ,   I r an .   E m ail:  r o h o lla h . ab d o llah i@ y a h o o . co m ,   r ab d o llah i @ tv u . ac . ir       1.   I NT RO D UCT I O N   R ec en t   ad v a n ce s   in   s o lid   s t ate  co n v er s io n   tech n o lo g y   h as  led   to   t h p r o lif er atio n   o f   v ar iab le   f r eq u en c y   i n d u ct io n   m o to r   d r iv es  ( V FIM D’ s )   th at  ar u s ed   in   s e v er al  ap p licatio n s   s u ch   as  air   co n d itio n i n g ,   b lo w er s ,   f an s ,   p u m p s   f o r   w a s t w ater   tr ea t m en t   p lan t s ,   te x ti le   m i lls ,   r o lli n g   m ill s ,   etc  [ 1 ] .   T h m o s p r ac tical   tech n iq u in   V FIM D’ s   is   v ec t o r - co n tr o lled   s tr ateg y   i n   th at  i o f f er s   b etter   p er f o r m a n ce   r at h er   th a n   th o th er   co n tr o tech n iq u es.  Vec to r - co n tr o lled   tech n iq u is   i m p le m e n ted   in   v o lta g s o u r ce   in v er ter   w h ic h   is   m o s tl y   f ed   f r o m   s i x - p u l s d io d b r i d g r ec tif ier ,   I n s u lated   Gate   B ip o lar   T r an s is to r s   ( I GB T s )   ar em p lo y ed   as  th e     VSI   s w itc h es.     T h m o s i m p o r tan d r a w b a ck   o f   t h s i x - p u l s d io d e - b r id g r ec tif ier   i s   its   p o o r   p o w er   f ac to r   in j ec tio n   o f   c u r r en h ar m o n ic s   in to   ac   m ain s .   T h cir cu latio n   o f   c u r r en h ar m o n ics  in to   t h s o u r ce   i m p ed a n ce   y ield s   i n   h ar m o n ic  p o llu ted   v o ltag es  at  t h P o in o f   C o m m o n   C o u p li n g   ( P C C )   an d   co n s e q u en tl y   r es u lti n g   i n   u n d es ir ed   s u p p l y   v o ltag co n d itio n s   f o r   co s tu m er s   in   th v ic in it y .   T h v alu o f   cu r r en h ar m o n ic  co m p o n e n ts   w h ic h   ar in j ec ted   in to   th g r id   b y   n o n li n ea r   lo ad s   s u c h   as  DT C I MD s   s h o u ld   b co n f i n ed   w ith in   t h s tan d ar d   li m itatio n s .   T h m o s p r o m i n e n s tan d ar d s   i n   th is   f ie ld   ar I E E E   s tan d ar d   5 1 9   [ 2 ]   an d   th e   I n ter n atio n al  E lectr o tech n ical  C o m m is s io n   ( I E C )   6 1 0 0 0 - 3 - 2   [ 3 ] .   A cc o r d in g   to   co n s id er ab le  g r o w t h   o f   Static  P o w er   C o n v er te r s   ( SP C s )   th at  ar th m aj o r   s o u r ce s   o f   h ar m o n ic  d is to r tio n   a n d   as  r esu lt  t h eir   p o w er   q u a lit y   p r o b le m s ,   r esear c h er s   h a v f o cu s e d   th eir   atten tio n   o n   h ar m o n ic  eli m i n ati n g   s o lu tio n s .   Fo r   DT C I MD s   o n ef f e ctiv s o l u tio n   is   to   e m p lo y   m u ltip u l s AC - DC   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E    Vo l.   6 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 1 7 :   1 9 9     2 1 0   200   co n v er ter s .   T h ese  co n v er ter s   a r b ased   o n   eith er   p h ase  m u lti p licatio n   o r   p h ase  s h i f ti n g   o r   p u ls e   d o u b lin g   o r   co m b i n atio n   [ 4 - 1 0 ] .   A l th o u g h ,   in   th co n d itio n s   o f   li g h lo ad   o r   s m all  s o u r ce   i m p ed a n ce ,   lin cu r r en T o tal   Har m o n ic  Di s to r tio n   ( T HD)   w ill b m o r th an   5 f o r   u p   to   2 4 - pu ls AC - DC   co n v er ter s   [ 1 0 - 2 0 ] .     T - c o n n ec ted   Au to   T r an s f o r m er - b ased   2 4 - P u l s AC DC   C o n v er ter   h as  al s o   b ee n   p r esen ted   i n   [ 1 8 ] ,   h o w e v er ,   th e   T HD  o f   th s u p p l y   c u r r en w it h   t h is   to p o lo g y   i s   r ep o r ted   to   v ar y   f r o m   2 . 4 6 to   5 . 2 0 %   w h ic h   i s   m o r th a n   5 %   w h e n   o p er atin g   at  lig h t   lo ad .   T h 3 6 - p u l s w a s   d esi g n ed   f o r   V C I MD s   i n   [ 2 1 ]   w h ic h   h as T HD  v ar iatio n   o f   2 . 0 3 % to   3 . 7 4 % f r o m   f u ll - lo ad   to   lig h t - lo ad   ( 2 0 % o f   f u l l - lo ad )   r esp ec tiv el y .   I n cr ea s in g   t h n u m b er   o f   p u l s es  f u r t h er   r esu lts   i n   i m p r o v e m en i n   v ar io u s   p o w er - q u alit y   i n d ex es   b u t   alo n g   w it h   t h ad d itio n a co s o f   d if f er e n co n v er ter s   a n d   in cr ea s ed   s y s te m   co m p le x i t y   [ 2 2 - 24 ] ,   [ 2 6 - 2 9 ] .   T h er ef o r e,   it is   s u g g e s ted   t h at  h ig h er   p u ls co n f ig u r atio n   w it h   le s s   co m p lex i t y   m u s t b u s e d ,   s o   th at  th ac d c   co n v er s io n   m ee t s   th I E E E - 5 1 9   r eq u ir em e n ts .   T h 4 0 - p u ls to p o lo g y   [ 2 5 ]   w as  d esi g n ed   f o r   VC I MD s   lo ad s   h av i n g   T HD  v ar iatio n   o f   2 . 2 3 to   3 . 8 5 f r o m   f u ll - lo ad   to   lig ht - lo ad   ( 2 0 o f   f u ll - lo ad )   r esp ec tiv el y   w h ic h   is   m o r th an   3 w h en   o p er atin g   at  li g h lo ad ,   an d   th d li n k   v o ltag is   h ig h er   th a n   th a t   o f   6 - p u ls d io d e   b r id g r ec tif ier ,   th u s   m a k i n g   t h s c h e m n o n ap p licab le  f o r   r etr o f it  ap p licatio n s .   Ho w e v er ,   s o m ap p li ca tio n s   n ee d   s tr ict  p o w er   q u alit y   s p ec if icatio n s   an d   t h er ef o r th u s ag o f   co n v er ter s   w i th   p u ls es  m o r th an     2 4   is   u n a v o id ab le.   P o w er   q u alit y   ca n   b i m p r o v e d   b y   e m p lo y i n g   p ass i v o r   ac t iv f ilter s   [ 3 2 - 3 9 ] .   P ass iv e   f ilt er s   ca u s e   ad d itio n al  lo s s es,  n ee d   ad d iti o n al  f lo o r   ar ea   an d   ar co m p lex   in   d esi g n   as  th eir   p er f o r m an ce   is   af f ec ted   b y   ch an g es  i n   f r eq u e n c y .   S i m ilar l y ,   ac tiv f ilter s   ar also   co s tly   a n d   co m p lex ,   an d   h a v r ati n g s   co m p ar ab le  to   th lo ad   r ati n g .   T h u s o f   m u ltip u ls AC - D C   co n v er ter s   i s   o n s u ch   tech n iq u f o r   h ar m o n ic   m iti g atio n   an d   is   f o u n d   to   b r u g g ed   an d   r eliab le.   Var io u s   au to tr an s f o r m er   b ased   3 0 - p u ls ac - d co n v er te r s   ar in tr o d u ce d   in   [ 4 0 ] - [ 4 2 ]   w h ic h   h a s   5   in ter - p h ase  t r an s f o r m er s   i n   th d li n k   ( Fi g u r e   1 ( a) ) .   I n   th is   p ap er ,   3 0 - p u ls ac - d co n v er ter   is   p r o p o s ed   em p lo y i n g   n o v el  p o l y g o n   a u to tr an s f o r m er   as  s h o w n   in   Fig u r 1 ( b ) .   As  r esu lt,  th p r o p o s ed   co n v er ter   r eq u ir es  o n l y   t h r ee   in te r - p h ase  tr an s f o r m er s   i n   th d lin k   t h at   y ield s   i n   t h r ed u ce d   k ilo v o lt   a m p er r atin g ,   s ize,   w ei g h t,  an d   co s o f   t h p r o p o s ed   r ec t if ier .   T h p r o p o s ed   d esig n   m et h o d   w il b s u itab l ev en   w h e n   t h tr an s f o r m er   o u tp u v o lta g es  v ar y   w h ile  k e ep in g   it s   3 0 - p u ls e   o p er atio n .   I n   th p r o p o s ed   s t r u ctu r e,   th r ee   5 - le g   d io d e - b r id g r ec tif ier s   ar p ar alleled   v ia  th r ee   in ter p h ase   tr an s f o r m er s   an d   f ed   f r o m   a n   au to tr an s f o r m er .   Hen ce ,   a   3 0 - p u ls o u tp u t   v o lta g i s   o b tai n ed .   Deta iled   d esig n   tip s   o f   th I P T   an d   to tally   t h w h o le  s tr u c tu r o f   3 0 - p u l s ac - d co n v er ter   ar d escr ib ed   in   th is   p ap er   an d   th p r o p o s ed   co n v er ter   is   m o d ele d   an d   s i m u la ted   in   MA T L A B   to   s tu d y   its   b eh av io r   an d   s p ec if icall y   to   an al y ze   th p o w er   q u alit y   i n d ices  at  ac   m ai n s .   F u r t h er m o r e,   3 0 - p u l s ac - d co n v er ter   co n s is tin g   o f   p o l y g o n   au to tr an s f o r m er ,   th r ee   1 0 - p u l s d io d b r id g r ec tif ier s   p ar alleled   th r o u g h   t h r ee   I P T s ,   an d   w it h   DT C I MD   lo ad   Fig u r e   1 .   Si m u latio n   r es u lts   o f   s ix - p u ls an d   p r o p o s e d   3 0 - p u ls ac - d co n v er ter s   f ee d in g   DT C I MD   lo ad   ar s ch ed u led   an d   v ar io u s   q u alit y   cr iter ia  s u c h   as  T HD  o f   ac   m ai n s   c u r r en t,  p o w er   f a cto r ,   d is p lace m e n t   f ac to r ,   d is to r tio n   f a cto r ,   an d   T HD  o f   th s u p p l y   v o lta g at  P C C   ar co m p ar ed .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       R ed u ce d   R a tin g   3 0 - p u ls A C - DC   C o n ve r te r   fo r P o w er Qu a li ty  I mp r o ve men t   ( R o h o lla h   A b d o lla h i )   201         ( a)       ( b )     Fig u r e   1 .   ( a)   A n o th er   a u to tr an s f o r m er   co n f i g u r atio n   f o r   3 0 - p u ls ac d co n v er s io n   ( 5   in ter - p h a s tr an s f o r m er s   i n   th d li n k )   [ 4 0 ] - [ 4 2 ] ,   ( b )   No v el  p o ly g o n - a u t o tr an s f o r m er   co n f i g u r atio n   f o r   3 0 - p u ls ac d co n v er s io n   ( 3   in ter - p h ase  tr an s f o r m er s   in   t h d lin k )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E    Vo l.   6 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 1 7 :   1 9 9     2 1 0   202   2.   P RO P O SE 3 0 - P UL SE   A C DC  CO NVER T E R   I n   o r d er   to   im p le m e n t a   3 0 - p u ls ac - d co n v er ter   t h r o u g h   p a r allelin g   t h r ee   b r id g r ec tifie r s ,   i.e .   th r ee   10 - p u ls r ec ti f ier s ,   t h r ee   s ets  o f   5 - p h a s v o lta g es  w i th   p h ase  d if f er en ce   o f   7 2   d eg r ee s   b et w ee n   t h v o lta g es   o f   ea ch   g r o u p   an d   1 2   d eg r ee s   b et w ee n   th s a m v o ltag e s   o f   th th r ee   g r o u p s   ar r eq u ir ed .   A cc o r d in g l y ,   ea c h   b r id g r ec tif ier   co n s i s ts   o f   5   co m m o n - a n o d an d   5   co m m o n - ca t h o d d io d es  ( th r ee   5 - leg   r ec ti f ier s ) .   Au to tr an s f o r m er   co n n ec t io n s   an d   its   p h aso r   d iag r a m   w h ich   s h o w s   t h an g u lar   d is p lace m en o f   v o ltag e s   ar e   illu s tr ated   in   Fi g u r e   2.           Fig u r 2 .   P o ly g o n   co n n ec tio n   o f   p r o p o s ed   au to tr an s f o r m er   f o r   3 0 - p u ls co n v er ter   an d   its     p h aso r   r ep r esen tatio n       2 . 1 .   Desig n o f   pro po s ed  a uto t ra ns f o r m er   f o 3 0 - pu ls AC DC  c o nv er t er   T h af o r em e n tio n ed   t h r ee   v o ltag s ets  ar ca lled   as  ( V a1 V a2 V a3 V a4 V a5 )   an d   ( V b1 V b2 V b3 V b4 V b5 )   an d   ( V c1 V c2 V c3 V c4 V c5 )   th at  ar f ed   to   r ec tif ier s   I ,   I I   an d   I I I ,   r esp ec tiv el y .   T h s a m v o lta g es  o f   th e   th r ee   g r o u p s ,   i.e .   V ai V bi ,   an d   V ci ,   ar p h ase  d i s p lace d   o f   1 2   d eg r ee s .   V b1   an d   V c1   h as   p h a s s h i f t o f   +1 2   an d   - 1 2   d eg r ee s   f r o m   t h i n p u v o ltag o f   p h ase  A ,   r esp ec ti v el y .   A cc o r d in g   to   p h aso r   d ia g r a m ,   t h 5 - p h ase   v o ltag e s   ar m ad f r o m   ac   m ain   p h ase  an d   li n v o ltag e s   with   f r ac tio n s   o f   th p r i m ar y   win d in g   tu r n s   w h ich   ar ex p r ess ed   w i th   th e   f o ll o w i n g   r elatio n s h ip s .   C o n s id er   th r ee - p h ase   v o lta g es   o f   p r im ar y   w i n d i n g s     as f o llo w s :     . 1 2 0 , 1 2 0 , 0 s C s B s A V V V V V V   ( 1 )       W h er e,   5 - p h ase  v o lta g es a r e:         2 7 6 , 2 0 4 , 1 3 2 , 60 , 12 5 4 3 2 1 s a s a s a s a s a V V V V V V V V V V     (2 )   2 8 8 , 2 1 6 , 1 4 4 , 72 , 0 5 4 3 2 1 s b s b s b s b s b V V V V V V V V V V     (3 )   300 , 228 , 156 , 84 , 12 5 4 3 2 1 s c s c s c s c s c V V V V V V V V V V   (4 )       I n p u t v o lta g es  f o r   co n v er ter   I   ar e:         AB CA C a BC C a CA BC B a BC AB C a BC CA A a V K V K V V V K V V V K V K V V V K V K V V V K V K V V 9 10 5 17 3 4 12 11 3 4 3 1 2 2 1 1     (5 )       I n p u t v o lta g es  f o r   co n v er ter   I I   ar e:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       R ed u ce d   R a tin g   3 0 - p u ls A C - DC   C o n ve r te r   fo r P o w er Qu a li ty  I mp r o ve men t   ( R o h o lla h   A b d o lla h i )   203   AB CA A b BC AB A b CA BC A b AB CA A b A b V K V K V V V K V K V V V K V K V V V K V K V V V V 7 8 5 5 16 15 4 4 14 13 3 3 6 5 2 2 1     (6 )       I n p u t v o lta g es  f o r   co n v er ter   I I I   ar e:         AB CA B a BC AB B a CA BC B a AB CA B a BC AB A a V K V K V V V K V K V V V K V K V V V K V K V V V K V K V V 5 6 5 5 13 14 4 4 16 15 3 3 8 7 2 2 2 1 1     ( 7 )       . 30 3 , 30 3 , 30 3 C CA B BC A AB V V V V V V   (8 )       C o n s tan t s   K 1 - K 17   ar ca lcu late d   u s in g   ( 2 ) - ( 8 )   to   o b tain   th r eq u ir ed   w i n d in g s   t u r n   n u m b er s   to   h av t h d esire d   p h ase  s h i f t f o r   th t h r ee   v o lta g s ets:     . 4 69 6 . 0 , 0 69 6 . 0 , 0 69 6 . 0 , 0 93 2 . 0 , 0 43 0 . 0 , 1 12 7 . 0 , 0 14 5 . 0 , 1 27 3 . 0 , 2 75 7 . 0 , 0 93 2 . 0 , 0 43 0 . 0 , 1 12 7 . 0 , 0 14 5 . 0 , 2 20 5 . 0 , 3 18 7 . 0 , 1 12 7 . 0 , 0 14 5 . 0 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K K K K K K K K K K K K K K K K K     (9 )     2 . 2 .   Desig n o f   a uto t ra ns f o rm er   f o re t r o f it   a pp lica t io ns   T h v alu o f   o u tp u v o lta g i n   m u ltip u ls r ec ti f ier s   b o o s ts   r elativ to   th o u tp u v o lta g o f   s ix - p u ls co n v er ter   m a k in g   t h m u ltip u ls r ec ti f ier   in ap p r o p r iate  f o r   r etr o f it  ap p licatio n s .   Fo r   in s ta n ce ,   w it h   th e   au to tr an s f o r m er   ar r an g e m e n o f   t h p r o p o s ed   3 0 - p u ls co n v er ter ,   th e   r ec tifi ed   o u tp u t   v o l tag i s   1 4 h i g h e r   th an   t h at  o f   s ix - p u l s r ec tifie r .   Fo r   r etr o f it  ap p licatio n s ,   th e   ab o v d esig n   p r o ce d u r is   m o d if ied   s o   th at  th e   dc - lin k   v o lta g b ec o m e s   eq u a to   th a o f   s i x - p u ls e   r ec ti f ier .   T h is   w ill   b ac co m p lis h ed   v i m o d if icatio n s   i n   th e   tap p in g   p o s itio n s   o n   th win d in g s   a s   s h o w n   i n   Fi g u r e   3 .             Fig u r 3 .   P h aso r   d iag r a m   o f   v o ltag es i n   th p r o p o s ed   au to tr an s f o r m er   co n n ec tio n   alo n g   w i t h   m o d i f icatio n s   f o r   r etr o f it a r r an g e m e n t       I s h o u ld   b n o ted   th at  w it h   th is   ap p r o ac h ,   th d esire d   p h ase   s h i f is   s ti ll  u n ch a n g ed .   Si m i lar   to   s ec tio n   2 . 1 ,   th f o llo w i n g   eq u atio n s   ca n   b d er iv ed   as:     A S V V 86 . 0   ( 1 0 )       A p p licatio n s   as:         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E    Vo l.   6 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 1 7 :   1 9 9     2 1 0   204   . 4 03 8 . 0 , 0 59 9 . 0 , 0 59 9 . 0 , 0 80 2 . 0 , 0 37 1 . 0 , 0 50 2 . 0 , 1 05 9 . 0 , 2 02 8 . 0 , 1 90 4 . 0 , 0 80 1 . 0 , 0 37 1 . 0 , 0 97 0 . 0 , 0 12 5 . 0 , 1 89 6 . 0 , 2 74 1 . 0 , 0 50 3 . 0 , 1 05 8 . 0 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K K K K K K K K K K K K K K K K K     ( 1 1 )     T h v alu e s   o f   K 1 - K 17   e s tab lis h   t h e s s e n tial   tu r n   n u m b er s   o f   t h a u to tr an s f o r m er   w i n d in g s   to   h a v e   th r eq u ir ed   o u tp u v o lta g es  an d   p h ase  s h i f t s .   T o   en s u r th in d ep en d e n o p er atio n   o f   t h r ec tifie r   g r o u p s ,   in ter p h ase  tr an s f o r m er s   ( I PT s ) ,   w h ich   ar r elati v el y   s m all  i n   s ize,   ar co n n ec ted   at  th o u tp u o f   th r ec ti f ier   b r id g es.  W ith   th i s   ar r an g e m e n t,  th r ec ti f ier   d io d es  co n d u ct  f o r   1 2 0   p er   cy cle.   T h k ilo v o lta m p er r atin g   o f   th au to tr a n s f o r m er   is   ca lc u lat ed   as [ 4 ] :     w i n d i n g w i n d i n g I V k V A 5 . 0   ( 1 2 )     W h er e,   V w indin g   is   th v o lta g ac r o s s   ea ch   a u to tr an s f o r m er   w i n d i n g   a n d   I w inding   i n d icate s   t h f u l lo ad   cu r r en o f   th e   w i n d in g .   T h ap p ar en p o w er   r atin g   o f   th e   in ter p h a s tr an s f o r m er   is   al s o   ca lcu lated   i n   a     s a m w a y .       3.   M AT L AB - B ASE SI M UL AT I O N   Fig u r e   4   s h o w s   t h i m p le m e n ted   ac - d co n v er ter   w it h   DT C I MD   in   MA T L A B   s o f t w ar u s i n g   SIM UL I NK  a n d   p o w er   s y s te m   b lo ck   s et  ( P SB )   to o lb o x es.  I n   th i s   m o d el,   th r ee - p h ase   4 6 0   an d   6 0   Hz  n et w o r k   i s   u tili ze d   as  t h s u p p ly   f o r   t h 3 0 - p u l s co n v er te r .   T h d esig n ed   au to tr a n s f o r m er   is   m o d ele d   v ia   th r ee   m u lt i - w in d i n g   tr an s f o r m er s ,   as  s h o w n   i n   F ig u r e   5 .   Mu lti - w i n d in g   tr a n s f o r m er   b l o ck   is   al s o   u s ed   to   m o d el   I P T .   A t h co n v er ter   o u tp u t,  s er ies  in d u ctan ce   ( L )   an d   p ar allel  ca p ac ito r   ( C )   as  t h d li n k   ar e   co n n ec ted   to   I GB T - b ased   V o ltag So u r ce   I n v er ter   ( VSI ) .   VSI   d r iv es  s q u ir r el  ca g in d u ctio n   m o to r   e m p lo y i n g   d ir ec to r q u e - co n tr o s tr ateg y .   T h s i m u lated   m o to r   is   5 0   h p   ( 3 7 . 3   k W ) ,   4 - p o le ,   an d   Y - co n n ec ted .   Deta iled   d ata  o f   m o to r   ar lis ted   in   A p p e n d ix   A .   Si m u lat i o n   r es u lts   ar d ep icted   i n   Fi g u r es   7 - 1 6 .   P o w er   q u alit y   p ar a m e ter s   ar also   lis t ed   in   T ab le  1   f o r   6 - p u ls an d   3 0 - p u ls ac - d co n v er ter s .       T ab le  1 .   T h P e r f o r m a n ce   o f   C o m p ar is o n   o f   Si m u lated   P o w er   Q u alit y   P ar am e ter s   o f   T h DT C I MD   FED  Fro m   Di f f er e n A C D C   C o n v er ter s   Sr.   N o .   T o p o l o g y   T H D   o f   V ac   D i st o r t i o n   F a c t o r ,   DF   D i sp l a c e me n t   F a c t o r ,   D P F   P o w e r   F a c t o r ,   P F   D C   V o l t a g e   ( V )         L i g h t   L o a d   F u l l   L o a d   L i g h t   L o a d   F u l l   L o a d   L i g h t   L o a d   F u l l   L o a d   L i g h t   L o a d   F u l l   L o a d   1   6 - p u l se   5 . 6 3   0 . 8 8 4   0 . 9 5 9   0 . 9 8 5   0 . 9 8 8   0 . 8 7 2   0 . 9 4 8   6 1 6 . 6   6 0 7 . 9   2   30 - p u l se   1 . 9 4   0 . 9 9 8   0 . 9 9 9   0 . 9 9 5   0 . 9 9 8   0 . 9 9 4   0 . 9 9 7   6 1 0 . 6   6 0 6 . 9           Fig u r e   4 .   Ma tlab   m o d el  o f   3 0 - p u ls ac d co n v er ter   f ed   DT C I MD   T h re e -p h a s e   i n v e rt e r 3 0 - P u l s e A C - D C C o n ve r t e r 4 Wm 3 C t rl 2 C o n v . 1 M o t o r N N* M a g C F l u x * T o r q u e * C t r l Sp e e d   C o n t ro l l e r RT R a t e   T r a n s i t i o n m N Rad2Rpm I _ a b V _ a b c Ta Tb Tc V _ C o m M t a M t b M t c M e a s u re s Ld g A B C + - Tm m A B C I n d u ct i o n m a ch i n e T o r q u e * F l u x * V _ a b c I _ a b M a g C G a t e s D T C Cd M e a s . V   L + V   L - V   + V   - Bra ki n g   ch o p p e r A B C 4 6 0 V   6 0 H z 2 Tm 1 SP < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> < R ot or  s peed  (w m )> Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       R ed u ce d   R a tin g   3 0 - p u ls A C - DC   C o n ve r te r   fo r P o w er Qu a li ty  I mp r o ve men t   ( R o h o lla h   A b d o lla h i )   205       Fig u r e   5 .   Ma tlab   m o d el  o f   p r o p o s ed   au to tr an s f o r m er   f o r   3 0 - p u ls ac d co n v er ter   s y s te m   s i m u lat io n       4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T ab le  1   lis ts   th p o w er   q u alit y   i n d ices  o b tain ed   f r o m   t h s i m u latio n   r esu lts   o f   t h 6 - p u l s an d   3 0 - p u ls co n v er ter s .   Ma tlab   b lo c k   d ia g r a m   o f   3 0 - p u l s ac d c o n v er ter   s y s te m   s i m u la tio n ,   a s   s h o w n   in   Fi g u r e   6 .   Fig u r e   7   d ep icts   th r ee   g r o u p s   o f   5 - p h ase  v o lta g w a v e f o r m s   w it h   p h ase  s h if o f   1 2   d eg r ee s   b et w ee n   th e   s a m v o lta g es  o f   ea c h   g r o u p .   T h v o ltag ac r o s s   th e   in ter p h ase  tr an s f o r m er   h a s   f r eq u en c y   eq u al  to   5   ti m e s   th at  o f   t h s u p p l y   w h ic h   r es u lts   in   s i g n i f ican r ed u ctio n   in   v o l u m an d   co s o f   m a g n e tics .   T h 3 0 - p u ls co n v er t er   o u tp u v o ltag e   ( s h o w n   i n   F ig u r e   8 )   is   a l m o s t s m o o th   an d   f r ee   o f   r ip p les an d   i ts   av er ag v al u i s   6 0 9   v o lts   w h ich   is   ap p r o x i m a tel y   eq u al  to   th DC   lin k   v o lta g o f   s ix - p u l s r ec tif ier   ( 6 0 8   v o l ts ) .   T h is   m a k es  t h e   30 - p u ls co n v er ter   s u itab le  f o r   r etr o f it a p p licatio n s .     Dif f er en o u tp u a n d   in p u c h ar ac ter is tic s   o f   s i x - p u l s an d   p r o p o s ed   3 0 - p u ls co n v er t er   f ee d in g   DT C I MD   s u c h   as   s u p p l y   c u r r en t,  r o to r   s p ee d ,   elec tr o m a g n etic  to r q u e,   a n d   D C   li n k   v o ltag ar s h o w n   i n   Fig u r e   9 .   T h d y n a m ic  ch ar ac ter is tics   o f   th t w o   co n v er ter s   ca n   b u s ed   to   co m p ar th eir   d y n a m ic  r esp o n s e   th r o u g h   co n d itio n s   s u c h   a s   s ta r tin g   o r   lo ad   v ar iatio n s .   I n p u cu r r en w a v e f o r m s   a n d   its   h ar m o n ic   s p ec tr u m   o f   th 6 - p u ls e   a n d   3 0 - p u ls co n v er ter s   e x tr ac ted   a n d   s h o wn   in   Fig u r e s   10 - 1 1 ,   r esp ec tiv el y   to   ch ec k   t h eir   co n s is ten c y   w i th   th li m itatio n s   o f   t h I E E E   s ta n d ar d   5 1 9 .   I n   g e n er al,   t h lar g e l y   i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   o f   th 3 0 - p u l s co n v er ter   m a k es   th p o w er   q u alit y   i n d ices  s u ch   as  T HD  o f   s u p p l y   cu r r en an d   v o lta g ( T HDi   an d   T HDv ) ,   d is p lace m e n p o w er   f ac to r   ( DP F),   d is to r tio n   f ac to r   ( DF) ,   an d   p o w er   f ac to r   ( P F)  s atis f ac to r y   f o r   d if f er e n t lo ad in g   co n d itio n s .   T h af o r e m e n tio n e d   cr iter ia  ar lis ted   in   T ab le  1   f o r   th t w o   t y p es o f   co n v er ter s .             Fig u r e   6 .   Ma tlab   b l o ck   d iag r am   o f   3 0 - p u ls ac d co n v er ter   s y s te m   s i m u la tio n   1+ 1 +2 2 +3 3 +4 4 +5 5 +6 6 +7 7 +8 8 +9 9 + 1 0 10 V c a 1+ 1 +2 2 +3 3 +4 4 +5 5 +6 6 +7 7 +8 8 +9 9 + 1 0 10 V b c 1+ 1 +2 2 +3 3 +4 4 +5 5 +6 6 +7 7 +8 8 +9 9 + 1 0 10 V a b A B C T h r e e -P h a s e   S o u r c e 1+ 1 +2 2 1+ 1 +2 2 1+ 1 +2 2 Ld C onn1 C onn2 D T C I M D Cd Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E    Vo l.   6 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 1 7 :   1 9 9     2 1 0   206       Fig u r e   7 .   Au to tr an s f o r m er   o u t p u t v o lta g ( th r ee   g r o u p s   o f   5 - p h ase  v o lta g e)           Fig u r e   8 .   3 0 - p u ls ac d co n v er ter   o u tp u t v o lta g e             Fig u r e   9 .   W av ef o r m s   d ep ictin g   d y n a m ic  r esp o n s o f   6 -   a n d   3 0 - p u ls d io d r ec tif ier   f ed   D T C I MD   w it h   lo ad   p er tu r b atio n   ( s o u r ce   cu r r en t i sA ,   s p ee d   ω r   ,   d ev elo p ed   elec tr o m ag n etic  to r q u T e   ,   an d   d c - lin k   v o ltag V dc )   0 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 2 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 T i m e 0 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 T i m e 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 2 0 0 0 0 2000 S t a t o r   c u r r e n t 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 5 0 0 0 500 R o t o r   s p e e d 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 5 0 0 0 500 1000 E l e c t r o m a g n e t i c   T o r q u e 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 500 1000 T i m e D C   b u s   v o l t a g e 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 2 0 0 0 0 2000 S t a t o r   c u r r e n t 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 5 0 0 0 500 R o t o r   s p e e d 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 - 5 0 0 0 500 1000 E l e c t r o m a g n e t i c   T o r q u e 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 500 1000 T i m e D C   b u s   v o l t a g e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J A P E   I SS N:  2252 - 8792       R ed u ce d   R a tin g   3 0 - p u ls A C - DC   C o n ve r te r   fo r P o w er Qu a li ty  I mp r o ve men t   ( R o h o lla h   A b d o lla h i )   207   T h ese  h ar m o n ic  s p ec tr ar o b tain ed   w h en   i n d u ctio n   m o to r   o p e r ates  u n d er   lig h lo ad   ( 2 0 o f   f u ll   lo ad )   an d   f u ll  lo ad   co n d itio n s .   Ob v io u s l y ,   f o r   6 - p u ls c o n v er ter ,   f i f t h   an d   s ev e n t h   o r d er   h ar m o n ic s   ar d o m i n a n t.  Hen ce ,   i n p u cu r r e n T HD  o f   th i s   co n v er ter   w i ll  b r elativ el y   lar g a m o u n an d   i s   eq u al  to   2 8 . 5 3 an d   5 2 . 5 3 f o r   f u ll  l o ad   an d   lig h lo ad   co n d itio n s   th at  ar n o w it h i n   t h s ta n d ar d   m ar g i n s .   O n   th e   o th er   h a n d ,   as  s h o w n   in   Fi g u r e   1 1 ,   3 0 - p u ls co n v er ter   h as   a n   ac ce p tab le  c u r r en T HD  ( 3 . 1 2 f o r   li g h t   lo ad   an d   2 . 2 7 f o r   f u ll  lo ad   co n d i tio n s ) .   I n   th i s   co n f i g u r atio n ,   l o w   o r d er   h ar m o n ics  u p   to   2 7 t h   ar eli m i n ated   in   th s u p p l y   cu r r e n t.             Fig u r e   1 0 .   I n p u t c u r r en w a v e f o r m   o f   s i x - p u ls ac d co n v er ter   an d   its   h ar m o n ic  s p ec t r u m   at  lig h t lo ad   an d   f u ll lo ad             Fig u r e   1 1 .   I n p u t c u r r en w a v e f o r m   o f   30 - p u ls ac d co n v er t er   an d   its   h ar m o n ic  s p ec t r u m   at  lig h t lo ad   an d   f u ll lo ad       0 . 9 0 . 9 1 0 . 9 2 0 . 9 3 0 . 9 4 0 . 9 5 0 . 9 6 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 9 1 - 2 0 - 1 0 0 10 20 S e l e c t e d   s i g n a l :   6 0   c y c l e s .   FF T   w i n d o w   ( i n   r e d ) :   1   c y c l e s T i m e   ( s ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 20 40 60 80 100 Fr e q u e n c y   ( H z ) Fu n d a m e n t a l   ( 6 0 H z )   =   1 0 . 3 3   ,   T H D =   5 2 . 5 3 % M a g   ( %   o f   Fu n d a m e n t a l ) 0 . 9 0 . 9 1 0 . 9 2 0 . 9 3 0 . 9 4 0 . 9 5 0 . 9 6 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 9 1 - 5 0 0 50 S e l e c t e d   s i g n a l :   6 0   c y c l e s .   FF T   w i n d o w   ( i n   r e d ) :   1   c y c l e s T i m e   ( s ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 20 40 60 80 100 Fr e q u e n c y   ( H z ) Fu n d a m e n t a l   ( 6 0 H z )   =   5 2 . 6 9   ,   T H D =   2 8 . 5 3 % M a g   ( %   o f   Fu n d a m e n t a l ) 0 . 9 0 . 9 1 0 . 9 2 0 . 9 3 0 . 9 4 0 . 9 5 0 . 9 6 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 9 1 - 2 0 - 1 0 0 10 20 S e l e c t e d   s i g n a l :   6 0   c y c l e s .   FF T   w i n d o w   ( i n   r e d ) :   1   c y c l e s T i m e   ( s ) 0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 100 Fr e q u e n c y   ( H z ) Fu n d a m e n t a l   ( 6 0 H z )   =   1 0 . 6 1   ,   T H D =   3 . 1 2 % M a g   ( %   o f   Fu n d a m e n t a l ) 0 . 9 0 . 9 1 0 . 9 2 0 . 9 3 0 . 9 4 0 . 9 5 0 . 9 6 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 9 1 - 5 0 0 50 S e l e c t e d   s i g n a l :   6 0   c y c l e s .   FF T   w i n d o w   ( i n   r e d ) :   1   c y c l e s T i m e   ( s ) 0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 100 Fr e q u e n c y   ( H z ) Fu n d a m e n t a l   ( 6 0 H z )   =   5 2 . 6 7   ,   T H D =   2 . 2 7 % M a g   ( %   o f   Fu n d a m e n t a l ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   IJ A P E    Vo l.   6 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 1 7 :   1 9 9     2 1 0   208         Fig u r e   1 2 .   Var iatio n   o f   T HD  a n d   p o w er   f ac to r   w it h   lo ad   o n   DT C I MD   in   6 - p u l s an d   3 0 - p u ls   ac - d co n v er ter     Dif f er en p o w er   q u alit y   i n d ic es  o f   t h p r o p o s ed   to p o lo g y   u n d er   d if f er en lo ad in g   co n d i tio n s   ar s h o w n   in   T ab le  2 .   R esu lts   s h o w   t h at  e v en   u n d er   lo ad   v ar iatio n s ,   t h 3 0 - p u l s co n v er ter   h as  a n   i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   a n d   th c u r r en T HD  is   al w a y s   less   th a n   3 f o r   all  lo ad in g   co n d itio n s .   I n p u c u r r en T HD  an d   p o w er   f ac to r   v ar iatio n s   ar als o   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 2 ,   f o r   6 - p u ls e,   a n d   3 0 - p u ls ac - d co n v er ter s .   R esu lts   s h o th at  th i n p u cu r r en co r r esp o n d in g   to   th p r o p o s ed   co n f ig u r atio n   h a s   an   al m o s u n it y   p o w er   f ac to r .   Fu r t h er m o r e,   i n   t h w o r s t   c ase  ( li g h t   lo ad s )   t h c u r r e n t   T HD  h as   r ea ch ed   b elo w   3 f o r   th e   p r o p o s ed   to p o lo g y .   F u r th er m o r e,   th p r o p o s ed   co n v er ter   r eq u ir es  th r ee   in ter - p h ase  tr an s f o r m er s   in   th d lin k   C o m p ar ed   to   o th er   co n v er ter s   th at  n ee d   f iv I P T   th at  lead s   to   th r ed u ce d   k ilo v o lt  a m p e r r atin g ,   s ize,   an d   we i g h o f   th e   p r o p o s ed   r ec tif ier .   T h ca lcu lated   r atin g s   ar 2 7 9 2 . 5   VA   [ 4 0 ] ,   2 8 0 8 . 3   [ 4 1 ] ,   an d   2 8 0 2 . 5   [ 4 2 ]   f o r   I PT ,   w h ic h   ar 7 . 4 8 ,   7 . 5 2 an d   7 . 5 1 o f   th lo ad   p o w er   r atin g   ( 3 7 . 3 k W ) ,   r esp ec tiv el y .     T h is   to p o lo g y   n ee d s   an   i n ter p h ase  tr an s f o r m er   o f   1 7 9 0 . 4   VA   w h ich   is   4 . 8 o f   t h lo ad   p o w er   r ati n g .   T h p r o p o s ed   au to tr an s f o r m er - b ased   3 0 - p u ls ac d co n v er ter   r esu lts   in   co s t - e f f ec ti v r ep lace m en f o r   r etr o f it   ap p licatio n s ,   w h er p r esen t l y   s ix - p u l s d io d b r id g r ec tif ier   is   b ein g   u s ed .       T ab le.   2 .   C o m p ar is o n   o f   P o w e r   Qu alit y   I n d ices o f   P r o p o s ed   3 0 - p u ls AC - DC   C o n v er ter   L o a d   ( %)   T H D   ( %)   CF   o f   I S   DF   D P F   PF   R F   ( %)   V dc   (V)   IS   VS   20   3 . 1 2   0 . 6 0   1 . 4 1 2   0 . 9 9 8 5   0 . 9 9 5 3   0 . 9 9 3 8   0 . 0 0 2   6 1 0 . 6   40   2 . 4 8   0 . 7 8   1 . 4 1 3   0 . 9 9 8 8   0 . 9 9 7 6   0 . 9 9 6 4   0 . 0 0 1   6 0 9 . 7   60   2 . 3 5   1 . 0 0   1 . 4 1 3   0 . 9 9 8 9   0 . 9 9 7 8   0 . 9 9 6 7   0 . 0 0 3   6 0 8 . 8   80   2 . 3 0   1 . 4 4   1 . 4 1 3   0 . 9 9 8 8   0 . 9 9 8 1   0 . 9 9 6 8   0 . 0 0 3   6 0 7 . 9   1 0 0   2 . 2 7   1 . 9 4   1 . 4 1 3   0 . 9 9 8 8   0 . 9 9 8 0   0 . 9 9 6 8   0 . 0 0 2   6 0 6 . 9   0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6 - P u l s e 3 0 - P u l s e L o a d   ( % ) TH D   o f   a c   m a i n s   c u r r e n t   ( % ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 . 7 0 . 7 5 0 . 8 0 . 8 5 0 . 9 0 . 9 5 1 6 - P u l s e 3 0 - P u l s e L o a d   ( % ) P o w e r   Fa c t o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.