ek SIPIL MESIN ARSITEKTUR ELEKTRO

Transkripsi

1 ek SIPI MESIN ARSITEKTUR EEKTRO SIMUASI PENYEARAH MODUASI EBAR PUSA SATU FASA JEMBATAN PENUH DENGAN KENDAI SATU SIKUS PADA KONDISI TEGANGAN MASUK BERUBAH-UBAH Idham Khalid * Absrac The performance of a Single phase PWM Recifier wih Boos Full-bridge opology is analyzed and invesigaed in his paper. The inpu curren and oupu volage of he recifier are conrolled using One Cycle Conrol Mehod. By using One Cycle Conrol echnique, errors ha occur boh in inpu curren and oupu volage due o inpu volage disurbance are eliminaed in only one swiching cycle, so ha he oupu volage is always same as he reference. The simulaion resuls show ha he inpu curren always nearly pure sinusoidal and in phase wih he inpu volage. Meanwhile he oupu volages always remain consan a he required level even hough he inpu volage varies in he cerain limis. Keywords: PWM Recifier, One Cycle Conrol, Rese-Inegraor Absrak Sebuah penyearah MP sau fasa dengan opologi jembaan penuh penaik egangan dianalisis dan diamai kinerjanya dalam paper ini. Arus masukan dan egangan keluaran penyearah ersebu dikendalikan dengan meoda Kendali Sau Siklus..Dengan eknik kendali sau siklus, gala yang erjadi pada arus masukan maupun pada egangan keluaran yang disebabkan oleh gangguan egangan masukan selalu dihilangkan hanya dalam waku sau siklus penyakelaran, sehingga egangan keluaran selalu sama dengan egangan referensi, Hasil simulasi menunjukkan bahwa arus masukan selalu mendekai benuk sinusoidal murni, fakor daya hampir sau dan sefasa dengan egangan masukan. Semenara egangan keluaran eap konsan pada nilai yang diinginkan meskipun egangan masukan bervariasi pada baasan erenu. Kaa kunci: Penyearah MP, Kendali sau siklus, inegraor-rese 1. Pendahuluan Kebuuhan akan sumber egangan searah yang erus meningka saa ini seiring semakin meningkanya peralaan lisrik yang menggunakan egangan searah menunu adanya cau daya dengan kualias yang handal. Penyearah yang berfungsi unuk mengubah egangan bolak-balik menjadi egangan searah merupakan ala yang pening dalam hal penyediaan sumber egangan searah ini. Di masa lalu, penyearah dioda dan SCR banyak digunakan. Kelemahan penyearah dioda adalah egangan keluaran idak dapa dikendalikan sehingga magniuda egangan keluaran sanga erganung pada magniuda egangan masukan. Sedangkan penyearah SCR menimbulkan disorsi harmonisa yang besar pada jala-jala dan mempunyai facor daya masukan yang rendah (Mohan, 1995). Unuk mengaasi kelemahan dari penyearah konvensional ersebu digunakan penyearah dengan eknik Modulasi ebar Pulsa (MP), baik unuk aplikasi sau fasa maupun iga fasa. Penyearah MP Sau Fasa Jembaan Penuh Penaik egangan digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi seperi cau daya ak erpuus, perbaikan fakor daya, penggerak kecepaan moor, dan filer daya akif (Sihi, 1988; Hui, 2000). Unuk memperoleh fakor daya sau dan arus masukan sinusoidal, maka benuk gelombang arus masukan * Saf Pengajar Jurusan D3 Teknik Elekro Fakulas Teknik Universias Tadulako, Palu

2 Jurnal SMARTek, Vol. 3, No. 1, Pebruari 2005 : fundamenal harus sama dan sefasa dengan egangan masukan. Sehingga diperlukan sebuah referensi sinusoidal unuk diikui oleh arus masukan. Sedangkan unuk memperahankan egangan keluaran, maka digunakan eknik umpan balik negaif (Rosseo, 1994). Beberapa eknik pengendalian unuk memperoleh referensi arus ini elah dibahas oleh penelii sebelumnya(rosseo,1994; Smedley,1995; Sihi, 1988). Teknik kendali yang paling sederhana dengan respon yang cepa, adalah Kendali Sau Siklus, yang diusulkan oleh Smedley[1995]. Teknik kendali ini elah elah erbuki mempunyai respon yang cepa keika dierapkan pada konverer opologi buck. Namun apakah eknik kendali bisa dierapkan pada opologi penyearah MP sau fasa jembaan penuh penaik egangan? Inilah yang akan dibukikan oleh penulis melalui simulasi dan analisis. Peneliian ini berujuan unuk mengeahui apakah eknik Modulasi lebar Pulsa dan Kendali Sau Siklus dapa digunakan unuk memperahankan egangan keluaran pada nilai erenu dan memperbaiki fakor daya masukan dari penyearah, meskipun egangan masukan berubahubah 2. Tinjauan Pusaka 2.1 Analisis Penyearah Modulasi ebar Pulsa Sau Fasa Jembaan Penuh Penaik Tegangan Rangkaian daya penyearah MP sau fasa jembaan penuh penaik egangan diunjukkan pada gambar 1 (Sihi, 1988). Berdasarkan benuk gelombang egangan anar lengan penyearah, VAB, ada dua macam pola penyakelaran MP, yaiu : MP sau kuub (Unipolar PWM),dan MP dua kuub (Bipolar PWM) [Mohan,1995]. Dengan pola penyakelaran MP dua kuub, sakelar yang berpasangan secara diagonal (S1 dan S4 aau S2 dan S3) dinyalakan secara serenak dan sakelar-sakelar dalam seiap lengan dinyalakan secara berlawanan (complemenary) sehingga egangan anar lengan penyearah VAB bernilai +Vo dan Vo. Keempa sakelar dioperasikan pada frekuensi penyakelaran konsan, fs. Jika perioda penyakelaran dinyaakan dengan Ts ( Ts = 1/fs), siklus kerja sakelar S2 dan S3 dinyaakan dengan d, dan siklus kerja sakelar S1 dan S4 adalah (1-d) dimana : d = on/ts....(1) Adapun prinsip kerja dari keempa sakelar dapa dijelaskan berdasarkan rangkaian ekivalen yang diunjukkan pada Gambar 2. I s + - V s I s V S 2 S 3 I dc + - a) inerval 0 d.ts, S2 dan S3 ON I s + - V D1 C I c I c R Io + V o V s C R V o I s D4 (b) inerval d.ts Ts, S2 dan S3 OFF - Gambar 1. Rangkaian Daya Penyearah MP sau fasa jembaan penuh penaik egangan 38 Gambar 2. Rangkaian ekivalen unuk operasi selama seengah siklus posiif

3 Simulasi Penyearah Modulasi ebar Pulsa Sau Fasa Jembaan Penuh Dengan Kendali Sau Siklus Pada Kondisi Tegangan Masuk Berubah-ubah (Idham Khalid) Selama 0 dts, Sakelar S2 dan S3 menghanar (ON), Arus Is mengalir dari jala-jala sumber Vs melalui, S2, C, S3 dan kembali ke jala-jala. Pada inerval waku ini magniuda arus indukor naik dan energi disimpan dalam indukor. Rangkaian ekivalen unuk moda ini diunjukkan pada gambar 2.a. Persamaan arus sumber yang mengalir diunjukkan dalam persamaan beriku : I s V ( ON ) Vs Vo on on V = s Vo. d. Ts...(2) Selama d.ts Ts, S2 dan S3 Padam (OFF) Arus Is mengalir dari jala-jala sumber Vs melalui, D1, beban, D4, dan kembali ke jala-jala.. Pada inerval waku ini, arus indukor urun dan energi dari indukor dipindahkan ke beban. Pada saa yang sama, arus dari kapasior C mengalir juga ke beban. Rangkaian ekivalen unuk moda operasi ini diunjukkan pada gambar 2.b. V( OFF ) I s V V off = s o ( 1 d). Ts...(3) Benuk gelombang egangan dan arus dari penyearah pada seengah siklus posiif jala-jala diunjukkan pada Gambar 3. Unuk operasi frekuensi konsan, egangan-deik raa-raa dari indukor selama sau siklus penyakelaran dalam kondisi seengah-manap (quasi seadysae) adalah seimbang, yaiu : Aau: V(ON). on = -V(OFF). off....(4) (Vs + Vo).d = - (Vs Vo).(1 - d)..(5) (a) V gs 0 S2/S3 On S1/S4 On S2/S3 On I = I s I po I p1 (b) I o 0 I I1 I s2 = I s3 (c) I D1 = I D4 (d) 0 V V s + V o (e) 0 V s - V o d.t s (1-d).T s T s Gambar 3. Benuk gelombang egangan dan arus penyearah pada seengah siklus posiif 39

4 Jurnal SMARTek, Vol. 3, No. 1, Pebruari 2005 : Sehingga: 1 Vo V s......(6) 1 2d Dimana : Is, Vs, Vo, V, on, dan off secara beruruuru adalah arus masukan, egangan masukan, egangan keluaran, egangan indukor, waku menghanar sakelar S2 dan S3, dan waku padam sakelar S2 dan S Pengendalian Penyearah Sau Fasa Jembaan Penuh Penaik Tegangan dengan Kendali Sau Siklus Unuk memperoleh arus masukan sinusoidal pada fakor daya sau, sebuah rangkaian penyearah MP harus dapa menandingi (emulae) sebuah ahanan emulaor Re pada sisi cau daya sambil memperahankan egangan keluaran pada nilai yang dienukan (Qiao, 2001). Dalam hal ini : Vs = Re. Is....(7) Dengan memasukkan persamaan 7 kedalam persamaan 6 dan mengalikan kedua ruas dengan ahanan perasa arus Rs maka diperoleh : Rs. V R ( 1 2d) e = Rs. Is...(8) o R Jika didefinisikan : Vm = s. V maka o Re diperoleh: Vm. (1-2d) = Rs. Is...(9) 3. Meode Peneliian Peneliian ini dilakukan dengan meode simulasi. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangka lunak Power Elecronic Simulaor aau PSIM Versi 4.1 dengan parameer-parameer dienukan berdasarkan hasil perhiungan. Adapun prosedur simulasi adalah sebagai beriku : 1. Melakukan analisis maemais erhadap rangkaian daya dan rangkaian kendali penyerah MP sau fasa jembaan penuh. 2. Merancang dan memodelkan rangkaian sisem keseluruhan 3. Menenukan spesifikasi dan menghiung parameer kendali 4. Tegangan masukan diubah-ubah sebanyak lima kali dengan beban resisif konsan. 5. Hasil simulasi berupa benuk gelombang egangan dan arus dianalisis. 4. Hasil dan Pembahasan Dengan mengimplemenasikan persamaan 10 secara fisik menggunakan komponen analog, dan menerapkannya pada rangkaian penyearah pada gambar 1, diperoleh rangkaian lengkap seperi pada Gambar 4. Rangkaian ersebu disimulasikan menggunakan perangka lunak Power elecronic simulaor (PSIM ) dengan parameer-parameer sebagai beriku : Gambar 4 Diagram Blok dari Rangkaian Kendali Penyearah MP Sau Fasa Jembaan Penuh Penaik egangan dengan Kendali sau Siklus 40

5 Simulasi Penyearah Modulasi ebar Pulsa Sau Fasa Jembaan Penuh Dengan Kendali Sau Siklus Pada Kondisi Tegangan Masuk Berubah-ubah (Idham Khalid) Sensor egangan keluaran : Rvd1 = 290 k ; Rvd2 = 15 k Sensor egangan masuk : Gain = 0,1 Sensor arus : Gain = 0.4 Filer : C = 4700 uf ; = 5mH; r = 0.3 Tegangan Referensi : Vref = 6.15V; Pengendali : PI : kp=10, Ti = 500 S; Inegraor-rese: Ti = S Clock : fs = 15 khz; dclock = 0.1 Beban : R = 70 Tegangan masuk : Vs = 90 s/d 130 V(peak) aau 63,62 s/d 88,39 V(rms) Adapun Hasil simulasi diunjukkan dalam Table 1. Tabel 1 Hasil simulasi penyearah unuk egangan masuk berubahubah Tegangan Masuk (Vs) Fakor Daya Pergeseran (DPF) Tegangan keluaran raa-raa Vo(ave) V(peak) V(rms) V 90 63,62 0, , ,69 0, , , , ,83 0, , ,39 0, ,964 Sedangkan benuk-benuk gelombang egangan masukan, arus masukan dan egangan keluaran dari penyearah diunjukkan pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 14. Gambar 5. Benuk gelombang egangan masukan (kurva bawah) dan egangan keluaran (kurva aas) unuk Vs = 63,62 V(rms) Gambar 6. Benuk gelombang egangan masukan (kurva luar) dan arus masukan (kurva dalam) unuk Vs = 63,62 V(rms) 41

6 Jurnal SMARTek, Vol. 3, No. 1, Pebruari 2005 : Gambar 7. Benuk gelombang egangan masukan (kurva bawah) dan egangan keluaran (kurva aas) unuk Vs = 70,69 V(rms) Gambar 8. Benuk gelombang egangan masukan (kurva luar) dan arus masukan (kurva dalam) unuk Vs = 70,69 V(rms) Gambar 9. Benuk gelombang egangan masukan (kurva aas) dan egangan keluaran (kurva bawah) unuk Vs = 77,76 V(rms) 42

7 Simulasi Penyearah Modulasi ebar Pulsa Sau Fasa Jembaan Penuh Dengan Kendali Sau Siklus Pada Kondisi Tegangan Masuk Berubah-ubah (Idham Khalid) Gambar 10. Benuk gelombang egangan masukan (kurva luar) dan arus masukan (kurva dalam) unuk Vs = 77,76 V(rms) Gambar 11. Benuk gelombang egangan masukan (kurva aas) dan egangan keluaran (kurva bawah) unuk Vs = 84,83 V(rms) Gambar 12. Benuk gelombang egangan masukan (kurva luar) dan arus masukan(kurva dalam) unuk Vs = 84,83 V(rms) 43

8 Jurnal SMARTek, Vol. 3, No. 1, Pebruari 2005 : Gambar 13. Benuk gelombang egangan masukan (kurva aas) dan egangan keluaran (kurva bawah) unuk Vs = 88,39 V(rms) Gambar 14. Benuk gelombang egangan masukan (kurva luar) dan arus masukan (kurva dalam) unuk Vs = 88,39 V(rms) Dari Gambar 5, 7, 9, 11, dan 13 erliha bahwa meskipun egangan masukan Vs berubah-ubah dari 63,62 V(rms) sampai dengan 88,39 V(rms), egangan keluaran eap konsan pada nilai 134 V(rms). Perubahan yang ampak pada benuk egangan keluaran adalah makin inggi egangan masukan, maka waku yang diperlukan unuk mencapai keadaan manap sediki lebih lama. Arus masukan semakin kecil jika egangan masukan semakin besar. Dari Gambar 6, 8, 10, 12, dan 14 erliha bahwa benuk egangan masukan peak-o-peak selalu hampir berimpi dengan benuk gelombang arus masukan. Fakor daya pergeseran anara egangan masukan dan arus masukan adalah 0,999. Terliha bahwa benuk gelombang arus mendekai sinusoidal murni, yang berari bahwa arus masukan hampir idak erdisorsi. 5. Kesimpulan 1. Sebuah penyearah MP sau fasa jembaan penuh penaik egangan dengan eknik kendali sau siklus elah dianalisa dan dibahas. 44

9 Simulasi Penyearah Modulasi ebar Pulsa Sau Fasa Jembaan Penuh Dengan Kendali Sau Siklus Pada Kondisi Tegangan Masuk Berubah-ubah (Idham Khalid) 2. Hasil Simulasi memperlihakan bahwa dengan menggunakan eknik kendali sau siklus dan sisem umpan balik, egangan keluaran penyearah dapa diperahankan konsan pada nilai yang diinginkan, meskipun egangan masukan berubah-ubah dalam baasan erenu. 3. Benuk gelombang egangan masukan dan arus masukan selalu sefasa yang berari bahwa fakor daya sisem selalu sama dengan sau. 4. Pada saa egangan keluaran konsan, perubahan magniuda egangan masukan berbanding erbalik dengan magniuda arus masukan 5. Dengan menggunakan eknik MP pada penyearah, egangan keluaran dapa dibua lebih inggi dari egangan masukan ampa menggunakan ransformaor. 6. Dafar Pusaka Hui, SYR.,e.al., 2000, A Bidirecional AC- DC Power Converer wih Power Facor Correcion, IEEE Transacion on Power Elecronics, Vol. 15 No.5, Sepember, p Mohan, N. e.al.,1995, Power Elecronics : Converers, Applicaion and Design, John Wiley and son, Inc. Qiao, C. e.al., 2001, A Comprehensive Analysis and Design of a Single Phase Uniy Power Facor Boos Recifier Wih ower Disorsion, IEEE Power Elecronics Sociey Conference Record. Rosseo,., e.al., 1994, Conrol Techniques for Power Facor Correcion Converer, Inernaional Conference on PEMC proceeding, Warsaw, Sepember, p Salmon, J.C., 1993, Techniques for Minimizing he Inpu Curren Disorion of Curren Conrolled Single Phase Boos Recifier, IEEE Transacion on Power Elecronics, Vol. 8 No.4, Ocober, p Smedley, 1995, One-Cycle Conrol of Swiching Converers, IEEE Transacion on Power Elecronics, Vol. 10, No.6, November, p Sihi, O., 1988, A Single Phase Conrolled Curren PWM Recifier, IEEE Transacion on Power Elecronics, Vol. 3, No.4, Ocober, p