BAB 2 DASAR EORI 2. Pendahuluan Konvete dc-ac atau biasa disebut invete adalah suatu alat elektonik yang befungsi untuk menghasilkan keluaan ac sinusoidal dai masukan dc dimana magnitudo dan fekuensinya dapat diatu. Invete biasanya banyak digunakan pada kendali mesin ac dan UPS (Uninteuptible Powe Supply). Dilihat dai jenis masukannya, invete dibagi menjadi dua macam yaitu VSI (Voltage Souce Invete) dimana masukannya adalah sumbe tegangan dc dan CSI (Cuent Souce Invete) dimana masukannya adalah sumbe aus dc. Pada pakteknya, invete yang lebih seing digunakan adalah VSI sedangkan CSI penggunaannya tebatas pada kontol moto ac dengan daya yang sangat besa. Gamba 2. meupakan gamba dai dai salah satu topologi invete bidge, yaitu full-bidge dengan sumbe dc yang digunakan adalah sumbe tegangan. Pada dasanya, untuk menghasilkan keluaan ac sinusoidal, invete bekeja dengan mengatu penyaklaan masukan sumbe dc. Dalam satu lengan, tansisto yang boleh on hanya satu kaena apabila dua tansisto dalam satu lengan on maka sumbe tegangan dc akan tehubung singkat. Dengan demikian pada saat S on maka S akan off. Hal yang sama tejadi pada S 2 dan S 2. S S 2 S S 2 Gamba 2. opologi invete full-bidge 4
Pada saat S dan S 2 on, beban akan measakan tegangan V d (V o = V d ). Pada saat S 2 dan S 2 on maka beban akan measakan tegangan V d (V o = -V d ). Bentuk sinyal tegangan keluaan dai gamba 2. adalah sebagai beikut : Vo V d V d S t S 2 S 2 S on on Gamba 2.2 Bentuk tegangan keluaan invete Nilai ms tegangan keluaan dapat dicai dengan 2 2 2 2 O d S V V dt V (2.) Keluaan invete dengan penyaklaan sepeti diatas adalah gelombang pesegi. Gelombang sepeti ini memiliki kandungan hamonisa yang besa. Biasanya keluaan invete yang diinginkan adalah bentuk gelombang sinus muni kaena gelombang sinus muni tidak mengandung hamonisa. Untuk mendapatkan bentuk gelombang sinusoidal maka teknik penyaklaan tansisto haus diatu. Salah satu teknik yang paling umum digunakan dalam mengatu penyaklaan tansisto dalam invete adalah PWM (Pulse Width Modulation). Pada tugas akhi ini yang akan dibahas adalah invete dengan topologi full-bidge dan masukan sumbe tegangan (VSI) seta teknik kontol yang akan digunakan adalah PWM (Pulse Width Modulation). 2.2 Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation (PWM) adalah salah satu teknik untuk mengatu penyaklaan tansisto dalam invete. eknik ini pada dasanya adalah membandingkan dua sinyal untuk mendapatkan pola penyaklaan tansisto. 5
Sinyal petama adalah sinyal epetitif sebagai sinyal caie dan biasanya adalah sinyal segitiga v. Sinyal kedua adalah sinyal yang akan dimodulasi untuk mendapatkan bentuk keluaan yang diinginkan dan biasa disebut sinyal efeensi v. Apabila sinyal efeensi v lebih besa (kecil) dai sinyal caie v maka lengan atas ( ) akan meneima sinyal on (off). Gamba 2.3 Pulse Width Modulation Pebandingan antaa amplitudo sinyal efeensi V dan amplitudo sinyal caie V disebut indeks modulasi m V m (2.2) V Pada saat amplitudo sinyal efeensi V sama dengan sinyal caie V maka indeks modulasi maksimum. Rentang antaa indeks modulasi minimum (nol) sampai indeks modulasi maksimum adalah entang besanya keluaan yang dapat diatu oleh invete. Pada entang ini besanya keluaan memiliki hubungan linea dengan indeks modulasi. Apabila amplitudo sinyal efeensi V lebih tinggi dai amplitudo sinyal segitiga V maka invete beada pada daeah opeasi ovemodulation. Pada daeah ini hubungan antaa keluaan invete dengan indeks modulasi tidak lagi linea. Jika m besa sehingga sinyal efeensi bepotongan dengan sinyal segitiga pada titik zeo cossing (Gamba 2.3) maka pola penyaklaan adalah penyaklaan sinyal pesegi. Daeah ini bisa disebut daeah satuasi PWM kaena indeks modulasi m sudah tidak lagi bepengauh tehadap besanya keluaan. Salah satu keuntungan opeasi penyaklaan pesegi adalah setiap lengan beubah keadaannya hanya satu kali dalam satu peiode. Hal ini penting untuk level dengan daya besa dimana biasanya espon sakla semikondukto pada level ini endah. Kaena 6
invete tidak dapat mengatu besanya keluaan maka satu-satunya caa untuk mengatu besanya keluaan adalah dengan mengatu masukannya. Dalam aplikasi industi, biasanya keluaan invete haus bisa diatu. Pengatuan ini biasanya ditujukan untuk mengatasi masalah vaiasi tegangan masukan sumbe dc, pengatuan keluaan invete aga sesuai dengan kebutuhan, dan untuk kebutuhan pengatuan volt/fekuensi yang tetap. Dengan demikian maka invete haus diusahakan bekeja pada daeah lineanya. Dengan sinyal efeensi sinus bisa didapatkan m maks adalah. Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk mempebesa daeah linea invete. Penelitian biasanya dilakukan pada kontol pola penyaklaan invete atau modifikasi PWM yang sudah ada. 4 Vˆ Vd Gamba 2.4 Pengatuan tegangan dengan m 2.3 Paamete pefomansi invete eknik PWM dapat menghasilkan keluaan yang mendekati bentuk sinusoidal dibandingkan dengan teknik penyaklaan pesegi dengan membawa hamonisa ke daeah fekuensi penyaklaannya. Akan tetapi, keluaan invete dengan menggunakan teknik PWM tetap mengandung iak, teutama pada daeah indeks modulasi yang tinggi. 7
2.3. Riak Riak atau ipple atau distosi adalah gelombang epetitif yang meupakan pebedaan antaa nilai sesaat suatu gelombang dengan nilai fundamental gelombang tesebut. Riak dapat dituunkan dai deet fouie yaitu: it () it () it () (2.3) dimana, it ( ) = iak, it () = nilai sesaat dan i () t = nilai fundamental Atau dalam bentuk nilai RMS 2 2 (2.4) I I I Dimana: I =Nilai RMS iak, I = Nilai RMS gelombang dan I = Nilai RMS fundamental gelombang Selain itu iak biasa dinyatakan sebagai HD yaitu pebandingan antaa iak dengan komponen fundamental. HD 2 2 In I n (2.5) Riak yang dihasilkan oleh invete dapat mengakibatkan: a. Efek pemanasan (ugi-ugi moto, tafo, kabel) b. Efek hamonisa toka (moto) c. Kesalahan pembacaan mete 2.3.2 Rugi-ugi Penyaklaan Rugi-ugi penyaklaan beasal dai kaakteistik tansisto sebagai sakla. Apabila kaakteistik tansisto mendekati kaakteistik sakla ideal maka ugiugi akibat penyaklaan akan bekuang. Rugi-ugi akibat penyaklaan behubungan juga dengan fekuensi penyaklaan yang diopeasikan pada sakla. Rugi-ugi penyaklaan sebanding dengan fekuensi penyaklaan yang digunakan atinya semakin seing sakla digunakan pada penyaklaan maka ugi-uginya akan semakin tinggi. Rugi-ugi penyaklaan dinyatakan sebagai 8
PS VDI fs( tc( on) tc( off )) (2.6) 2 Dengan : V D = egangan masukan I = Aus yang mengali pada sakla f S = Fekuensi penyaklaan t dan t = Waktu hidup dan mati sakla C( on) C( off ) 2.4 Analisis Riak Aus Keluaan Invete Fasa Banyak Pesamaan umum iak aus keluaan invete fasa banyak telah di lakukan pada penelitian sebelumnya [7]. Metode yang dilakukan pada analisis tesebut diadopsi dai efeensi[6]. Pada analisis yang dilakukan[7], tedapat asumsi-asumsi yang haus dipehatikan, yaitu : a. Masukan sumbe dc konstan sebesa E d dan bebas dai iak b. Efek dead time diabaikan. c. Fekuensi sinyal caie jauh lebih tinggi dai fekuensi fundamental sinyal modulasi. d. Beban adalah linie dan seimbang. Beban invete pada setiap fasanya diwakili oleh esistansi R, Induktani L, dan sebuah emf sinusoidal e yang dipasang sei. Gamba 2.5 mempelihatkan angkaian invete fasa banyak dengan hubungan beban poligon. Pada hubungan beban dengan konfiguasi poligon tegangan beban meupakan selisih tegangan fasa ke fasa : v v v (2.7) k( k) kn ( k) N Pada gamba 2.5 dapat dipehatikan bahwa tegangan pada fasa-ke-fasa dapat juga dinyatakan dengan : dik( k) v eri L (2.8) dt k( k) k( k) Dimana v adalah tegangan keluaan fasa ke fasa dan k( k ) ik( k ) adalah aus pada beban. 9
Gamba 2.5 Invete fasa banyak dengan konfiguasi poligon Aus beban ik( k ) dapat dipisahkan menjadi dua komponen yaitu komponen ata-ata ik( k ) (dalam satu peiode penyaklaan) dan komponen iak i. k( k) i i i (2.9) kk ( ) kk ( ) kk ( ) Dengan mensubstitusikan pesamaan (2.9) ke pesamaan (2.8) maka didapatkan di k( k) vk( k) Ri k( k) L vk( k) (2.) dt dimana, dik( k) vk( k) e Rik( k) L (2.) dt dapat dianggap sebagai nilai ata-ata tegangan fasa ke fasa. Komponen iak aus kecil sangat kecil sehingga dop tegangan pada R dapat diabaikan dan iak aus keluaan invete fasa banyak dengan hubungan poligon didapatkan dengan pesamaan : vk( k) vkk ( ) i k( k) dt (2.2) L
2.4. Bentuk Gelombang Riak Dalam Satu Peiode Penyaklaan Pada Invete PWM, sinyal penyaklaan didapatkan dengan membandingkan sinyal efeensi dengan sinyal caie segitiga befekuensi tinggi. Ketika fekuensi sinyal caie sangat tinggi apabila dibandingkan dengan fekuensi fundamental dai invete maka nilai dai sinyal efeensi selama satu peiode penyaklaan atau satu peiode sinyal caie segitiga dapat diasumsikan konstan. Gamba 2.6 menunjukkan Sinyal PWM dalam satu peiode penyaklaan. (a) v v k v( k ) (b) s S k (c) E d S (k+) v k(k+) 2 2 (d) i k( k) t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Gamba 2.6 Bentuk gelombang PWM dalam satu peiode penyaklaan, (a) sinyal segitiga dengan sinyal efeensi, (b) kondisi penyaklaan fasa k dan k, (c) bentuk tegangan v ( ) yang dihasilkan dan (d) bentuk gelombang iak aus k k Dai gamba diatas didapatkan nilai ata-ata tegangan fasa k ke fasa k+ adalah: vk( k) Ed 2 (2.3)
Pesamaan nilai sesaat iak aus dalam satu peiode penyaklaan[7] adalah t t E t t vk( k) i k( k) t t3 L E t t t t6 d vk( k) d 2 4 vk( k) untuk untuk untuk untuk untuk t t t t t t 2 t t t 2 4 t t t 4 5 t t t 5 6 (2.4) Dai gamba 2.6 diketahui bahwa hubungan antaa,, 2 dan S adalah 4 V vk S V (2.5) 4 vk vk S V (2.6) 42 V vk V (2.7) S Pesamaan diatas hanya belaku pada saat tegangan fasa k lebih tinggi dai tegangan fasa k. Bentuk gelombang iak aus dilihat pada gamba 2.6(d) dimana, v k = sinyal efeensi fasa k v = sinyal efeensi fasa k+ k V = amplitudo sinyal segitiga Sehingga pesamaan nilai ata-ata kuadat iak aus keluaan invete fasabanyak hubungan beban poligon dalam satu peiode penyaklaan [7] adalah : 2 2 2 E d s 2 2 I k( k) v 2 k( k) vk( k ) vk( k ) 3vkv( k ) 92L (2.8) E d S Dengan S L (2.9) 2
2.5 Penutup Pada bab ini telah dijelaskan pinsip keja invete secaa umum dan pemapaan mengenai teknik kontol yang umum digunakan pada invete, yaitu PWM (Pulse Width Modulation). Salah satu paamete dai pefoma invete adalah iak. Pesamaan umum mengenai nilai kuadat ata-ata iak aus keluaan invete pada satu peiode penyaklaan telah dituunkan[7] dan akan digunakan untuk analisis selanjutnya pada tugas akhi ini. 3