ek SIPIL MESIN ARSITEKTUR ELEKTRO

Transkripsi

1 ek SIPI MESIN ARSIEKUR EEKRO PENERAPAN KENDAI SAU SIKUS UNUK MEMPERBAIKI KINERJA KONVERER AC-DC SAU FASA OPOOGI JEMBAAN PADA KONDISI BEBAN BERUBAH-UBAH Idham Khalid * Abrac o conver elecrical energy from AC form o DC form, a converer AC-DC i applied. A ype of converer ha i commonly ued o reul in a large power i ingle phae full bridge converer. he performance of hi converer i analyzed from inpu curren waveform and oupu volage. By uing cloe loop conrol, a conan oupu volage can be obained. Wherea in order o improve he inpu curren waveform, One Circle Conrol echnique i applied. By uing One Cycle Conrol echnique, error occurred in he inpu curren ha i caued by he load variaion, can be eliminae in only one wiching cycle. So ha he inpu curren waveform alway inuoidal and i power facor alway near uniy. he experimenal reul how ha he implemenaion of one cycle conrol echnique in a ingle phae full bridge ac-dc converer can improve he inpu curren waveform and mainain he oupu volage in he predeermine level even hough he load of he converer varie. Keyword: One Cycle Conrol, AC-DC Converer, PWM Abrak Konverer AC-DC berfungi unuk merubah energi lirik bolak-balik (AC) menjadi energi lirik earah (DC). Konverer AC-DC au faa opologi jembaan banyak digunakan dalam banyak aplikai yang memerlukan daya yang bear. Kinerja konverer AC-DC dianalii dari egangan keluaran dan benuk gelombang aru maukan. Dengan menggunakan iem umpan balik lup eruup, egangan keluaran dapa diperahankan konan pada nilai yang dienukan. Dengan eknik kendali au iklu, gala yang erjadi pada aru maukan yang diebabkan oleh perubahan beban elalu dapa dihilangkan hanya dalam waku au iklu penyakelaran, ehingga benuk aru maukan elalu berbenuk inu murni dan facor dayanya elalu mendekai au. Dari hail percobaan, diperoleh bahwa aru maukan elalu mendekai benuk inuoidal murni, fakor daya hampir au dan efaa dengan egangan maukan. Semenara egangan keluaran eap konan pada nilai yang diinginkan mekipun egangan beban berubah-ubah pada baaan erenu. Kaa kunci: Kendali Sau iklu, Konverer AC-DC, MP 1. Pendahuluan Konverer AC-DC berfungi unuk mengubah egangan bolak-balik (AC) menjadi egangan earah (DC). Dalam aplikai au faa, konverer AC-DC au faa opologi Jembaan digunakan ecara lua, eperi cau daya ak erpuu, perbaikan fakor daya, penggerak kecepaan moor, dan filer daya akif (Sihi, 1988; Hui, 2). Unuk memperoleh egangan DC yang eap konverer AC-DC dengan eknik Modulai ebar Pula (MP) banyak digunakan. Kinerja Konverer AC-DC berganung pada kondii aru maukan dan egangan keluaran. Konverer AC- * Saf Pengajar Juruan D3 eknik irik Fakula eknik Univeria adulako, Palu

2 Jurnal SMARek, Vol. 4, No. 1, Pebruari 26: DC yang baik adalah konverer yang dapa menarik aru maukan ampa diori (berbenuk inuoidal murni) dan mempunyai facor daya au, emenara egangan keluaran elalu konan pada nilai yang elah dienukan. Unuk memperoleh fakor daya au dan aru maukan inuoidal, maka benuk gelombang aru maukan fundamenal haru ama dan efaa dengan egangan maukan. Sehingga diperlukan ebuah refereni inuoidal yang diikui oleh aru maukan. Sedangkan unuk memperahankan egangan keluaran, maka digunakan eknik umpan balik negaif (Roeo, 1994). eknik Kendali Sau Siklu merupakan uau eknik kendali aru yang anga ederhana dengan repon yang cepa elah dibukikan mampu memperbaiki benuk aru maukan dan dapa memperahankan fakor daya konverer AC-DC ama dengan au mekipun egangan maukan konverer berubah-ubah (Khalid, 25). Dalam ulian ini, dibaha penerapan eknik Kendali Sau Siklu pada Konverer AC-DC opologi jembaan dengan kondii beban berubah-ubah. ujuan dari penerapan ini adalah unuk memperbaiki benuk aru maukan dan memperahankan egangan 2. injauan Puaka 2.1 Konep daar kendali au iklu Meoda Kendali Sau Siklu perama kali dibaha oleh Smedly [9]. Konep daar kendali au iklu dapa dijelakan ebagai beriku. Sebuah akelar akan beroperai menuru fungi akelar d() dalam eiap iklu pada frekueni penyakelaran f, dimana f = 1/, eperi diunjukkan pada gambar 1, dimana : d() = 1 < < on < < on (1) d() = 1 berari akelar konduki (ON) dan d() = berari akelar padam OFF). x() d() 1 akelar d() on off y() = x() d() Gambar 1. Rangkaian ekivalen dari ebuah akelar Sinyal maukan x() dipoong oleh akelar dan diubah menjadi inyal keluaran y(). Nilai raa-raa y() dalam au iklu penyakelaran ama dengan lua area dibawah kurva y(). Karena f >> frekueni x(), maka y() dapa diuli : 1 ON y() = x( ) d x() 1 ON d = x().d() (2) Dengan memodulai iklu kerja d() edemikian rupa ehingga inegrai dari benuk gelombang erpoong pada keluaran akelar ama dengan inegrai dari inyal refereni, vref, yaiu: on x( ) d = v ref ( ) d. (3) maka nilai raa-raa dari y() ama dengan vref dalam eiap iklu, yaiu: y() = 1 ON x ) d ( = 1 S v ref ( ) d = x(). d() = vref....(4) Implemenai rangkaian dari peramaa (4) diunjukkan pada gambar 2.a, erdiri ebuah inegraor yang dapa diree (diingka Inegraor-ree), komparaor, flip-flop dan pembangki pula clock frekueni konan. Dan prinip operai rangkaian dijelakan pada gambar 2.b. 6

3 SE CR Penerapan Kendali Sau Siklu unuk Memperbaiki Kinerja Konverer AC DC Sau Faa ipologi Jembaan pada Kondii Beban Berubah-ubah (Idham Khalid) Dari gambar 2.b erliha bahwa, pada permulaan au iklu penyakelaran, ebuah pula clock meng-e flip-flop (Q=1), yang pada gilirannya menyalakan akelar S. egangan maukan x() dipoong oleh akelar elama waku on menghailkan egangan keluaran y(). Benuk gelombang erpoong ini diinegralkan menjadi vin() = 1 x ( ) d lalu on dibandingkan dengan inyal refereni vref (). Keika vin() mencapai vref (), keluaran komparaor menjadi inggi dan meree flip-flop (Q=), ehingga akelar menjadi padam. Pada waku yang ama, flip-flop me-ree inegraor kembali ke nol unuk periapan iklu berikunya. Proe ini berulang dalam eiap iklu penyakelaran. Karena perioda akelar adalah konan dan iklu kerja d dikendalikan, maka nilai raa-raa dari benuk gelombang keluaran akelar y() dalam eiap iklu ama egangan refereni. 2.2 Konverer AC-DC Jembaan Penuh Modulai ebar Pula Konverer AC-DC jembaan penuh erdiri dari empa buah akelar yang dioperaikan pada frekueni penyakelaran konan, f. Jika perioda penyakelaran dinyaakan dengan ( = 1/f), iklu kerja akelar S2 dan S3 dinyaakan dengan d, dan iklu kerja akelar S1 dan S4 adalah (1-d) dimana d = on/. Adapun prinip kerja dari keempa akelar dapa dijelakan berdaarkan rangkaian ekivalen yang diunjukkan pada gambar 3. x() Sakelar S y() Clock R in Ree Inegraor C in - + V ref Clock - + Flip- Flop S Q R Q Komparaor y() v in V comp Q 1 on off x() v ref Gambar 2. Implemenai Rangkaian kendali au iklu dengan frekueni konan I + - V S 3 + I dc Io I c I + - V D1 I c + V C R V o V C R V o I S 2 - I D4 - inerval d., S2 dan S3 ON inerval d., S2 dan S3 OFF Gambar 3. Rangkaian ekivalen unuk operai elama eengah iklu poiif. 61

4 Jurnal SMARek, Vol. 4, No. 1, Pebruari 26: Selama d, Sakelar S2 dan S3 menghanar (ON), Aru I mengalir dari jala-jala umber V melalui, S2, C, S3 dan kembali ke jala-jala. Pada inerval waku ini magniuda aru indukor naik dan energi diimpan dalam indukor. Rangkaian ekivalen unuk moda ini diunjukkan pada gambar 3.a. Peramaan aru umber yang mengalir diunjukkan dalam peramaan beriku : ΔI V ( ON ) V + Vo = on = V = + Vo. d. on...(5) Selama d., S2 dan S3 Padam (OFF) Aru I mengalir dari jala-jala umber V melalui, D1, beban, D4, dan kembali ke jala-jala.. Pada inerval waku ini, aru indukor urun dan energi dari indukor dipindahkan ke beban. Pada aa yang ama, aru dari kapaior C mengalir juga ke beban. Rangkaian ekivalen unuk moda operai ini diunjukkan pada gambar 3.b. V ( OFF ) Δ I = V = Vo off ( 1 d )....(6) Benuk gelombang egangan dan aru dari konverer AC-DC pada eengah iklu poiif jala-jala diunjukkan pada gambar 4. Unuk operai frekueni konan, egangan-deik raa-raa dari indukor elama au iklu penyakelaran dalam kondii eengah-manap (quai eadyae) adalah eimbang, yaiu : Aau : V(ON). on = -V(OFF). off...(7) (V + Vo).d = - (V Vo).(1 - d).(8) Sehingga : V 1 = 1 2d o V....(9) dimana : I, V, Vo, V, on, dan off ecara beruruuru adalah aru maukan, egangan maukan, egangan keluaran, egangan indukor, waku menghanar akelar S2 dan S3, dan waku padam akelar S2 dan S3. V g S2/S3 On S1/S4 On S2/S3 On I = I I po I p1 I o ΔI I1 I 2 = I 3 (c) I D1 = I D4 (d) V V + V o (e) V - V o d. (1-d). Gambar 4. Benuk gelombang egangan dan aru konverer AC-DC pada eengah iklu poiif 62

5 Penerapan Kendali Sau Siklu unuk Memperbaiki Kinerja Konverer AC DC Sau Faa ipologi Jembaan pada Kondii Beban Berubah-ubah (Idham Khalid) Gambar 5 Diagram Blok dari Rangkaian Kendali Konverer AC-DC MP Sau Faa Jembaan Penuh dengan Kendali au Siklu 2.3 Penerapan Kendali Sau Siklu unuk Konverer AC-DC Sau Faa Jembaan Penuh Unuk memperoleh aru maukan inuoidal pada fakor daya au, ebuah rangkaian konverer AC-DC MP haru dapa menandingi (emulae) ebuah ahanan emulaor Re pada ii cau daya ambil memperahankan egangan keluaran pada nilai yang dienukan (Qiao, 21). Dalam hal ini : V = Re. I.(1) Dengan memaukkan peramaan 1 kedalam peramaan 9 dan mengalikan kedua rua dengan ahanan peraa aru R maka diperoleh : R. V R (1 2 d ) e o = R. I..(11) R Jika didefiniikan : Vm =. V..(12) o Re maka diperoleh V m. (1-2d) = R. I...(13) Karena on d =, maka peramaan (13) dapa diuli : Vm 2Vm. on = R.I.(14) Peramaan (14) adalah peramaan kunci dari rangkaian kendali au iklu unuk konverer AC-DC au faa. Inplemenai peramaan ini dalam benuk rangkaian diperlihakan pada gambar Meode Peneliian Peneliian ini dilakukan dengan meode ekperimen. Adapun angkahlangkah peneliian adalah ebagai beriku : 1. Melakukan analii maemai erhadap rangkaian daya dan rangkaian kendali penyerah MP au faa jembaan penuh. 2. Merancang dan memodelkan rangkaian iem keeluruhan 3. Menenukan peifikai dan menghiung parameer kendali 4. Membua dan mengee ala 5. Melakukan percobaan dengan memberikan beban ahanan yang bervariai. egangan maukan diperahankan konan. 63

6 Jurnal SMARek, Vol. 4, No. 1, Pebruari 26: Hail dan pembahaan Pada peneliian ini dibua prooype Konverer MP au faa jembaan penuh penaik egangan lup eruup dengan eknik kendali yang diuulkan. Speifikai konverer AC-DC yang dirancang adalah ebagai beriku : Daya keluaran makimum (Po, max) = 5 wa egangan maukan = 24 Vrm Frekueni jala-jala (fline) = 5 Hz egangan keluaran (Vo) = 48 VAS Riak egangan keluaran (ΔVo,pp) = 1.5% Frekueni penyakelaran : 15 khz Percobaan dilakukan dengan kondii ebagai beriku : egangan maukan dieapkan konan pada 24 Vrm. Beban divariaikan dari Io =.28 A /d 1.4 A. Hail percobaan yang diperoleh menunjukkan bahwa egangan keluaran eap konan pada nilai 48.5 V dan aru maukan elalu berbenuk inuoidal dengan fakor daya elalu diaa,95. Hail keeluruhan dari percobaan diunjukkan pada abel 1. Benuk benuk gelombang egangan maukan, aru maukan dan egangan keluaran eperi pada gambar 6, 6, gambar 7, 7, gambar 8, 8, Gambar 9, 9. abel 1. Daa hail percobaan unuk kondii egangan maukan konan dan beban berubah-ubah Vo(ave) (Vol) Io(ave) (Amp) V(rm) (Vol) I(rm) (Amp) Co phi Po(ave) (Wa) Io = 1.4 A = 5 Wa 2 > 1) Ch 1: 1 Vol 1 m 2) Ch 2: 5 Vol 1 m 1) Ch 1: 2 Vol 1 m Gambar 6 Benuk gelombang hail percobaan unuk beban Io =1.4 A egangan maukan (aa) dan aru maukan (bawah) egangan keluaran 64

7 Penerapan Kendali Sau Siklu unuk Memperbaiki Kinerja Konverer AC DC Sau Faa ipologi Jembaan pada Kondii Beban Berubah-ubah (Idham Khalid) 2. Io =.8 A = 38.8 wa 1) Ch 1: 2 Vol 1 m Gambar 7 Benuk gelombang hail percobaan unuk beban Io =.8 A egangan maukan (aa) dan aru maukan (bawah) ; egangan keluaran 3. Io =.6 A = 29.1 Wa 2 > 1) Ch 1: 1 Vol 1 m 2) Ch 2: 5 Vol 1 m 1) Ch 1: 2 Vol 1 m Gambar 8 Benuk gelombang hail percobaan unuk beban Io =.6 A egangan maukan (aa) dan aru maukan (bawah) egangan keluaran 4. Io =.52 A = 25.2 Wa 1) Ch 1: 2 Vol 1 m Gambar 9 Benuk gelombang hail percobaan unuk beban Io =.52 A egangan maukan (aa) dan aru maukan (bawah) egangan keluaran Hail percobaan menunjukkan bahwa egangan raa-raa keluaran konverer AC-DC dapa diperahankan konan, mekipun beban berubahubah dari minimum ampai makmum. Aru fundamenal maukan elalu berbenuk inuoidal dengan fakor daya elalu lebih dari.95 aau hampir efaa dengan egangan maukan. 65

8 Jurnal SMARek, Vol. 4, No. 1, Pebruari 26: Benuk gelombang aru maukan elalu inuoidal dan mengikui benuk gelombang egangan maukan dengan pergeeran faa hampir nol, yang berari fakor daya elalu mendekai au. Pada beban ringan, riak egangan keluaran emakin bear dan aru maukan mengalami diori yang bear. erdapa noching dengan magniuda yang bear mengganggu benuk gelombang aru maukan dan egangan keluaran. Ini diebabkan oleh proe komuai frekueni inggi pada mofe. Noie frekueni inggi juga mengganggu benuk gelombang aru maukan dan egangan keluaran. Noching diebabkan operai normal mofe daya keika aru mengalami ranii dari au faa ke faa lainnya dan erjadi elama keadaan manap. Karena frekueni penyakelaran anga inggi, yaiu 15 khz, maka frekueni erjadinya noching juga anga inggi. Noie yang bear pada benuk gelombang aru maukan, bia diebabkan oleh beberapa fakor eperi : karakeriik mofe, komponenkomponen rangkaian kendali, inem penanahan (grounding) dalam rangkaian yang kurang bagu dan ambungan-ambungan komponen dalam papan erceak (PCB) yang kurang empurna. 5. Keimpulan 1. Sebuah konverer AC-DC MP au faa jembaan penuh penaik egangan dengan eknik kendali au iklu elah dianalia dan dibaha. 2. Hail percobaan memperlihakan bahwa dengan menggunakan iem umpan balik, egangan keluaran konverer AC-DC dapa diperahankan konan pada nilai yang diinginkan, mekipun beban berubah-ubah dari minimum ampai makimum. 3. Benuk gelombang egangan maukan dan aru maukan elalu efaa yang berari bahwa fakor daya iem elalu ama dengan au. 4. Dengan menggunakan eknik kendali au iklu, benuk gelombang aru maukan elalu berbenuk inu dengan diori yang relaif kecil. 5. Dengan menggunakan eknik MP pada konverer AC-DC, egangan keluaran dapa dibua lebih inggi dari egangan maukan ampa menggunakan ranformaor. 6. Dafar Puaka Khalid, Idham, 25, Simulai Penyearah Modulai ebar Pula Sau faa Jembaan Penuh Dengan Kendali Sau Siklu Pada Kondii egangan Mauk Berubah-Ubah, Jurnal Smarek, Fakula eknik Univeria adulako, Volume 3 No. 1, hal Mohan, N. e.al.,1995, Power Elecronic : Converer, Applicaion and Deign, John Wiley and on, Inc. Qiao, C. e.al., 21, A Comprehenive Analyi and Deign of a Single Phae Uniy Power Facor Boo Recifier Wih ower Diorion, IEEE Power Elecronic Sociey Conference Record. Roeo,., e.al., 1994, Conrol echnique for Power Facor Correcion Converer, Inernaional Conference on PEMC proceeding, Waraw, Sepember, p Salmon, J.C., 1993, echnique for Minimizing he Inpu Curren Diorion of Curren Conrolled Single Phae Boo Recifier, IEEE ranacion on Power Elecronic, Vol. 8 No.4, Ocober, p Smedley, 1995, One-Cycle Conrol of Swiching Converer, IEEE ranacion on Power Elecronic, Vol. 1, No.6, November, p