Minimisasi riak arus keluaran penyearah daya-besar

9{+l{v
;i#, pnoc.ITB.voL.3t,No.3,rseg
99
penyearah
riakaruskeluaran
Minimisasi
daya-besar
dengan
menggunakan
filteraktif
P e ki kA rgoDahono
Laboratoriun Penelitian KonversiEnergiElektrik,Jurusan TeknikEIeKro,
lnstitut TeknologiBandung,Jul. Ganesa 10,Bandung40132
11Januarr
Masuk:
1999;
revisr
/ Ilesernber
n'a.rrk:
3 Juni1999:
diterirna.
1999
Sari
rnetoclc
haruuntuknrcrnininrisusi
riak aruskcluaranpcnyearah
dayabcsarclcnganmcnggunakan
llltcr aktil'diusulkandalamtulisan
Suatu
ini. Kalcnallltcr aktil' tcrhubungparaleldenganbeban,rnakakapasitasarus liltcr aklif' .yarrgdipcrlukanmcnjaclisangatkccil, yaitu
Selainitu, karcnallltcr aktil'dihuburrgkan
scri clcnganfilter pasif kapasitoryang acla,rnaka
sebesar
riak arusyang akanr'likonrpcnsasi.
kapasita.(c8all8anliltc'.rrktil..jugasangatkecil,yaituschcsa.riaktcgangart
dahnrtulisanini- Validitasmeludcyangdiusulkantliu.jidcngansinrulasidan pcrcobaan"
dijelaskan
tcknik kcnclali,minirnisasiriak,sistenrkcnrlali
Katdkwui: llltcr aktil, penyearah,
Abstract
Output currcnt ripplc rninimization ol'high-powcr rectilicrs by using active lilter
rectillcrsby usinga dc activcpowcr liltcr is prescntccl
A newmcthodto nrinimizethc outputcurrentripplc o[ high-gxrwer
in this papcr.
Bocause
thc aclivcllltcr is connectcdin parallcclto thc krad.thc currcntraling ol'the l'iltcris vcry small,that is as small as thc ripplc
whichrs goingto hc conrl>cnsatccl..
Molcovcr, bccauscthc activc filtcr"isscricsc<.inncctccl
lo thc cxistingpassivcllltcr caPacitor,thc
voltagc
ratingol'thc activc liltcr'is also vcry small,that is ds small as thc voitagcripplc which is going to hc conrpcnsatcd.
A contrtrl
lbr thc activclilter is proposcdin this papcr.Valitlityo[thc proposcdrncthodis vcrillcclby simulatcdanclcxpcrinrcntal
technique
rcsults.
Keyu,ords:ut tiveJilter, ret:tifier,cotilrol te<hrique, ripple niritnii.dtiot\ (otilrol sy.ttctn.
I
Pendahuluan
Pcnycarah
dayabcsar banyak digunakandalarrrindustri
pcngisibatcrai, catu-dayaproscs clcktrokimia,
sebagai
pengcndali
kcccpatanmot()r.protcksi kat(xlik, dan catudayantagnct.Untuk daya yang besar, pcnycarahyang
digunakan
biasanyapcnyearahthyristor (ika tcgangan
harus tcrkendali) atau penyearahdioda
dc keluarannya
(ika tegangan
yang tctap cukup rncrnadai).Karenariak
legangan
dan anrskcluararrdari pcnycarahsernacarnini
masih
tcrlalubcsarunnrkbanyakaplikasi,pcrlu diplrsang
filter untuk rncnguranginya.Filtcr yang digunakan
umumnya
bcrupaliltcr pasif t,C. Akan tctapi, jika riak
yangdiizinkansangatkccil, llltcr pasif yang
ntaksirnunr
diperlukan
akansangatbesardan mahal. Selain itu, filter
pasif yang bcsar akan rncmbuat ellsicnsi penyearah
menurunscrta mempunyaitanggapanyang lambat dan
cenderungberosilasi. Penyearah dcngan riak ants
keluaran yang kecil banyak diperlrrkan dalarn
laboratoriurn
dancatu-dayamagnelI I -4 I.
Salahsatu cara untuk rucngurangiriak anrs keluaran
filtcr pasif yang besaradalahdengan
tanpalncr)ggunakan
junilah pulsa keluaran lrenyearahl5l.
meningkatkan
Jumlahpulsayangdigrnakanurur.ur)nya
6, 12, 18, atau
24 pulsa.Sayangnya,
cara ini hanya cfektil'jika surnber
tiga-fasanyasctirnbang. Jika tegangan surrrbcr tiga-
lastnya tidak sctirnbang.riak kcluaran rlcngan lrckucnsi
rcndahakan tctap kcluar, walaupunkita tclah mcnggunakan
pcnycarahpulsa banyak l6-71. Akibatnya,filtcr pasil yang
tliperlukanrnasih tctap bcsar. Sclain itu, pcnycarahpulsa
banyak nlcrncrlukantralb tiga-lasa yang kornplcks dan
lulahal.
Ctra lain untuk rncngurangiriak keluarantanpa mcnggunakan filtcr pasif yang bcsaradalahdcnganl.rrenggunakan
filtcr
aktil' l8-101.Filter aktil konvcnsiorral
dircalisasikan
dcngan
lllcrnasangsuatu konvcrtcrelcktronikayang tcrpasangscri
dcngan bcban. Filtcr ini dikcndalikan scdcrnikianrupa
sehingga filtcr akan mcnghasilkan riak tegangan yang
rnclawan riak tcgangan yang dihasilkan pcnycarah. Filtcr
aktif bisa direalisasikandengan lncnggunakankonvcrter
elcktronika yang bekerja dalam rnode linicr [8'91 atau
switching[01. Kclcmahanutarnaf iltcr aktif konvcnsional
irri
adalahhubunganseri antarafiltcr aktif denganbcban.Karena
terhubungseri, kapasitasarus filter aktif paling tidak hanrs
san)adcngan kapasilasarus bcbixl. Oleh scbab ilu. cara ini
tidak cocok untuk penerapanyang memcrlukanarusbesar.
Dalarutulisanini diusulkansuatutopologi baru filtcr aktii.
Filter aktil ini terhubung paralel dengan bcban sehingga
kapasitasanrs filter aktif yang diperlukantidak terlalu hesar
(sarna dengan bcsar riak anrs yang ingin dikornpen.sasi).
Sclainitr.r,karcna(iltcr aktif ini dipasangseri dcnganfilter
kapasitoryang biasanyasudahada, kapasitasteganganlilter
100
PROC.ffR, VOL. 31,NO. 3, 1999
aktif yang dipcrlukan juga titlak terlalu besar (saina
dcngan riak tegangan yang dikornpensasi). Krena
tegangan dan arus filrer akril ini jauh lcbih kecil
dibandingkanrlcrrgantegangarlrlan arus beban,rnaka
liltcr ini r:ocxrkuntuk rricrnirrirnurrrkan
riak l(eluaran
pcnycarah
tlayatrcsar.Oararncngcntlalikarr
Illter aktif ini
diusulkan.Valitlirasrnetodr:yang diusulkandiuji dengan
sirnulasidan pcrcobaart.
Vco
50v
tAA
,o
0
2
N'Ietodekonvensiorral
Scbelrimnrcrnblilnsittct(,(loyarigtlirlsrrlkarr"
ach traikrrya
kita rncurhahas
lcbrhdulu nrclodckrrrrvcnsional.
Garnbar
I urctnpcrlihatkiirr
skcnra pcrrycarahthyristor tiga_lasa
c n a r n - l l u l s ay a n g d i l c n g k a p i f i l r c r p a s i l l . C d i s i s i
k c l u l r a n n y aH. a s i l s i r n u l a stic g a n g a rt il a n a r u sk c l r r a r a n
licnycarahllatla tcgarrgansunrbcr sctinrbujg dan tak
sctirnbangdipcrlihal.karr
di Gantharl(a) rtan (b). Data
sirnrrlasi
dibcrikandi Tabcl l. Garnbarini nrcnurrjukkarr
bahwatcgarrgar)
dan ,ar-us
bcltirrryar)g rata pada kcatlaarr
sctinrbangrncnjailitirlirk rata saat tcgangansurnbcrtak
sclirnballg. Pada k<lntlisi sctinlbang,.frckucnsi riak
kcluarantcrcndahatlalaltcrranrkali fr.okrrcnsi
surnbcr.
.yuitrr3(X)Hz. Akarr tctal)i.pada kcatllrarr
tak sctirnbang,
Iickucrrsiriak kclrraranlrrrcrrdalr
bisa 50 atau 100 t{z
(tcrgantungpadajclris kctidaksctirnbangannya).
Dalarn
sirnulasi. kondisi rak sctin)bang diciptakan clcngan
rncnyisipkarr
indukror5 urH kc salahsatu lasa surnbcr.
Akibatnya, filtcr L,C yang rclah clirancangagar clisien
<lalarnmcrcdarn riak li'ckucnsi 300 Hz rncniadi titlak
cfisicnjika riak yang ada nrcngantlung
tickucrrii 100Hz.
Akan tctapi, jika filtcr LC .dirlncang agar juga bisa
rlrercdan)riak fhkucnsi rcndah. rrkuran llltcr l_C yarrrl
dipcrlukanakansangatbcsar.
Tabel1 i Dalasirirulasi
50v
25A
0
l3A
0
(b)
Gambar2 Hasilsimulasi
padalegangan
surnber
(a)selimbang
dan(b) taksolimbang
tJntuk rncntinirnisasi riak lickucnsi rcndah tilnDa
rncnggunakanfiltcr [,C yang bcsir.r,pctnasanganliltcr aktil.
scpcrtryang tcrliatdi Garnbar3(a) lclahdiusulkandi pusraka
Itt-101.Gambar3(b) mcmperlihatkan
rangkaianckivalcnsisi
dc dari Garnbar 3(a). V,t menyatakan nilai rata_rata
(komponendc) dan i,, rncnyalakanriak pada tegangan
llltcr
kapasitor.Jika lllrer aktif' clikcndalikanscclcurikianrupa
sehingga rnenghasilkanriak tcgangan i,, = -i,,, trraka
'fegangan
sumberac 50 Hz
i
,,t'
rr\,
.-
1,"
-----i
Beban
I
____j
Gambar 1 Skemapenyearahtjgajasa
l
teganganbebantidak lagi mcngandungriak. patla sistcrnini.
filter pasif LC bcrtungsiuntuk rncngurangiriak liekucnsi
tinggi dan filter aktif unrrrk rnengurangi riak frekucnsi
rcndah. Oleh sebabitu, ukuran filter pasif yang tlipcrlukan
tidak terlalu bcsar.Firtcr aktir ini bisa diirnplenrentasikan
dcngan rangkaian konverter daya rno<Ic linier rnaupun
sv,itching.Scperti telah disinggung sebclurnnya,hubungan
seri antarafilrcr aktif denganbeban rncnyebabkankapasiras
arus filter aktif paling lidak harus sarna dengan arus
rnaksimum bcban, walaupun tcgangannyasendiri rcndah.
yaitu sana dengantcganganriak yalrg clikornpcnsasr.
Karcna
kapasita.sarus yang dipcrlukan bcsar, pencrapanmctocle ini
untuk arus yang sangat bcsar akan kornplcks dan ticlali
cfisien.
r
I
t
(
)
i
a
n
b
d
PROC.ITB, VOL. 3 t, NO. 3, 1999
101
direalisasikan dengan menggunakan anpLifter (inverter)
Iinier maupunswitching.Perlu dicatatbahwa sumberdc bagi
filter aktif tidak harus benar-benar ada, tetapi bisa
direalisasikandenganhanyamenggunakanscbuahkapasiIor.
Tegangandi kapasitorini bisa dikendalikandengan sedikit
rnenn)difikasisinyal kendali filter aktif.
(b)
Penyearah
danfilterpasif
Gambar3 Minirnisasi
riakarus keluarandenganfilteraklif
(a) Skemadan (b) Rangkaian
ekivalen
konvensional
Penvearah
danfilter
(a)
Nletodeyang diusulkan
Untuk rucrnaharnirnctotlc yang diusulkan, rnari kita
pcngganLi
tinjaurangkaian
di Gitrnbar3(b). Fungsifiltcr
aktif adalah nrcnghasilkan tcgangan yang rnclawan
riak yang dihasilkandi liltcr pasif kapasitor.
tegangan
llltcr aktif sccaracfcklit tcrhubunganseri dcngan
Selarna
kapasitor,
urakaJxrsisiyang scbcnarnyadari llltcr aktil'
tidakakan rncngubahkincrja sistcrn.Olch scbab itu,
posisifiltcr aktil dapal"dipindahkankc posisi scpcrti
torlihat
di Garnbar4(a). Rcalisasidari skcrnadi Garnbar
.l(a)dipcrlihatkarr
di Garnhar,+(b).Terlihatdi ganrbarini
b a h w af i l t c r a k t i l - t c r h u b u n g a n s c r i d e n g a r r l l l l c r
kapasitor.
Jika filtcr aktif dikcndalikan scdemikianrupa
sehinggamcnghasilkantcgangan riak yang ntclawan
riak di filtcr kapasitor,maka tcganganbcban
tegangan
akanbcbasdari riak. Akan tctapi, bcberbcda tlcngan
Gaurbar
3, posisi filtcr aktif di Gantbar.t bcradaparalel
dengan
bcbanschinggaarus yang mengalir di llltcr aktil
tidaksamadcnganams bcban, letapi hanya scbcsarriak
arusyangdikompensasi.Olch scbab itu, tegangandan
arusdari filtcr aktif di Garnbar.4 kcduanyasama-sama
kecil,yaitu san)adcngan tegangandan arus riak yang
Pada flltcr aktif di Gambar 3, arus
dikornpensasi.
keluarantilter aktif bcrsifat searah (dc), sedangkan
tegangannya
bolak-balik. Oleh scba itu, hlter aktif di
Gambar3 bisa direalisasikandengan sebuahtransistor
yang bekerja dalam mode linier atau menggrrnakan
chopperarus dua kuadaran[101. Bcrbeda dengan liltcr
aktif di Garnbar 3, filter aktif di Garnbar 4 harus
menghasilkan
tcgangandan anrs keluaran yang bolakbalik(ac).Olch scbabitu, filter aktif di Garnbar4 harus
direalisasikan
dcngan sebuahinverter. Inverter ini bisa
Masukan
I
l6
(b)
Gambar4 (a)Posisialternatif
darifilteraktif.
(b)Skemafilleraklifyangdiusulkan
Skerna sistem kcndali dari filter aktif yang diusulkan di
Gambar 4 dipcrlihatkan di Gambar 5. Sistem kendali ini
ditujukan untuk menghasilkan pcnycarah dengan ams
kcluaranterkendali.Untuk rncnghasilkanilms kcluaranyang
dibandingkandengan
terkendali,arusbebanyang sebenarnya
ams acuan. Hasil perbandingan arus ini diolah oleh
pengendaliPI untuk rnenghasilkanteganganacuan(tegangan
beban atau tegangandi filter kapasitor yang diinginkan).
102
PROC.rTB, VOL.3l, NO.3. 1999
;r
" -__)(x) *[-LPJI-
t^
t,--\
if
'g--*.--_
Jembatan
thyristor
|
vau
Gan'tbar5 Skemapeng€ndalian
penyearahdan filleraktif
Hasrl pc.rhartdirtgirn
irlrliira tcgarlgarrkapasitor yang
scbcnarnya ilcrrgan tcgirrltan acuan diolah olch
pcngcndaii Pl urrirrk incncnlrrkan sudrrI pcnyalaan
tit.yri,stor.Dalarrt sistcrn irri, thyril;rcr dikcndalikarr
dcngan algorilrna inrtr',rL t'tt.:int' agar pcnycarah
lirticr.Cararncrancang
incrnpunyaikinicr-jaylng bcrrsil'al
pcrrgcndali pcnvcrrah scrnacarl ini tclah banyak
d i l a p o r k adni l t u s t a k IaI I l - l l 2 l .
Vco
50v
0
254
25A
rLd
n
(b)
Vco
50v
0
Sinyal bagi llltcr aktil'juga didapardari hasil pcrbandingan
tcgallganacuan dcngan tcgangan kapasitur. Pada kcatlaan
lnantap, sclisih anlara tcgangan acuan tlan tcgangan
scbcnarnyanrcnyatakanriak togangandi kalrasitor.Riak
tcganganini sclanjutnya
dibirrrtlingkan
dcngirnsinyalscgiriga
l'rckucnsi tinggi untuk rnonuntukuu sinyal pcnyxlnuu
fi ltcr aktil.
transistor
Gambar 6 mcrnpcrlihalkanhasil sirnulasi dari pcnycarah
dcngan dauayang sama scpcrti tcrlihat di Tabcl l, tcLapi
sckarangdilcngkapi lllter aktil'. F'rckucnsi,swi.tt-hingl'lltcr
aktif yangdigunakanadalahl0 kHz. Tcgangansurnbcrllltcr
aktif diasrrrnsikanscbcsar l0 Vdc. Hasil sirnulasi ini
rncnunjukkanbahwaants di bcbanmasih tctap rncndckatidc
lnurni, walaupuntcgangansurnbcrrrya
tak sctirnbang.Filtcr
aktif bisa sccara clbktil rncrninirnurnkanriak lickucnsi
rcndahyang dihasilkanpcnycarah.
4
Hasil percobaan
Untukrncngujivaliditasrnctodcyangdiusulkan,suatusisterrr
percobaanscderhanatelah dilakukan dcngan skcrna scpcrl.i
terlihat di Ganrbar 7. Penycarahtiga-fasa yang digunakan
adalahpcnycarah
diodatiga-lasajcrnbatan
pcnuh.Filtcr aktil'
dircalisasikrurdcngan invcrtcr IGBT yang dioperasikan
dcngan lickuensi st4,itchingQ'arrier) 15 kHr. Surnbcr
teganganbagi filter aktif didapatdari pcnycarahdioda kecil
satu-fasa.Data pcrcobaandibcrikan di Tabcl 2. Kctidakscirnbangan
surnbcrdiciplakandcnganrnenyisipkarr
induktor
3 mH di salahsatulasasurnber.
Tabel 2 Dala percobaan
i Lrl
254
Tegangansumberac 50 Hz
25A
0
Tegangansumberfilleraktif
Gambar 6 Hasilsimulasipenyearahyang dilengkapifilteraktif
padategangansumber
(b)
Tegangansumberselimbang
Tegangansumberlak selimbang
103
PROC.tTB, VOL. 31,NO. 3, 1999
- -i)^
-!e-}
AL6
7
Masukan
c
A
I Vot
^.=
I
c
i lu"o
LL
I
j
I
I
Eo
Tn
s1
53lv^
R1
lu^
I
u"g
s1
Vn.
E
tl
(b)
(a)
Gambar 7
M
(a) Skema Percobaan (b) Rangkaiankendali
Filter aktif dikendalikan sccara scdcrhana dcngan
skema kendali sepcrti tcrlihat di Garnbar
menggunakan
7. Tegangandi hlter kapasitor dideteksi dan hasilnya
diproscs oleh tlltcr low-pass untuk rnendapatkan
komponendc-nya. Selisih antara komponen dc dan
tegangansebenarnyadari filter kapasitor Inenyatakan
teganganriak di kapasitor. Riak ini selanjutnya
dibandingkandcngan sinya1 scgitiga lrckucnsi tinggi
penyalaanlransistorIlltcr aktif.
untukinengendalikan
Garnbar(8a) mcmpcrlihatkan tcganarldan arus bcban
padatcgangansutnberyang lak sctirnbangsaatfllter aktif
belurn dihubungkan ke rangkaian' Gambar ti(b)
mempcrlihatkanspektrurn arus beban. Gambar ini
bahwa pada tcgangansumbcr yang tidak
menunjukkan
setimbang,anrs beban rnengandung riak lrckuensi
rendah(100 Hz) yang cukup bcsar. Riak lrekuensi
rendahini tidak akan rnuncul jika tegangansumbernya
setimbang.
(a)
i
"cd
lm
wat6
rx&Ar{At
.
fla
"& rr"
20 V/div
-\_-/:
r---]'_{-++*-]+--
+€.-{--
--l-r-
t.-
5 Fi/div
lo
Gambar9 (a) dan (b) menunjukkanhasil percobaansaat
hltcr aktif dihubungkan ke pcnyearah. Gambar 9(a)
menunjukkan tegangan bcban, tegangan kapasitor'
teganganfilter aktif, dan arus beban. Garnbar (9b)
menunjukkan spektrum arus bcban. Gambar ini
menunjukkanbahwa riak frekuensi rendah bisa secara
efektil diminimisasi olch filter aktif' Riak frekuensi
tinggi yang dihasilkan oleh filter aktif bisa dengan
mudahdiredamolch induktansibeban.
ru
lm.m H:
E
[tr tm.m
f,E
Ztt.whur
Gambar 8 Hasilpercobaanlanpa filleraktif.
(a) Tegangandan arus beban.
(b) Spektrumbeban
PROC.tTB, VOL.3I, NO.3, 1999
104
6
]00 V/div
50 V/div
Ucapanterima kasih
Penelitianini dibiayai oleh Hitachi ScholarshipFoundation
dan The Japan Socicty for Promotion of Science dan
dilakukandi Tokyo Instituteof Technology,Jepang.Penulis
mengucapkanterima kasih kepada Prof. Terua Kataoka dan
Prof. Yukihiko Sato, keduanya dari Tokyo Institute of
Technology, yang telah banyak membantu dalam penelitian
ini.
50 V/div
5 Aildiv
7
l.
Daftar pirstaka
Cilyo, F.F., Dcsign and Pcrforrnance AspecLs of a
Prccision High-Current Power Supply, IEEE Trans.
N uclear Science. 22. 1238-1241( 1975).
2. Lisser, J. dan Bouwknegt, K., High-Speed HighPrecision Programmable Magnet Power Supply for a
Wide Range of Magnet Time ConstanLs,IEEE Trans.
N ulear Science, 28, 2859-286I ( 199I ).
Han, B.M., Karady, G.G. dan Thiessen,H.A., Tuning
MagnetCurrent-ConditioningSystemfor RF Cavity in a
High-Intensily Protnn Accelarator, IEEE Trans. Nuclear
Science,38, 1005-1012 (1991).
4. Sato, H., et.al,, Performanceof the Main Ring Magnet
Power Supply of the KEK 12 GeV Proton Synchrotron,
IEEE Trans.Nuclear Science,39,1490-1495(1992).
5 . Parce. D.A.. Power Electronic Converter Harmonics.
IEEE Press.New York. (1996).
(b)
Gambar 9 Hasllp€rcobaandenganfllteraklif.
(a) Gelombangkeluaran.(b) Spektrumarus beban.
5
Kesimpulan
Dalam makalahini, suatumetodebaru untuk minimisasi
riak arus keluaran penyearah daya besar dengan
menggunakan
filter aktif telahdiusulkandan validita.snya
diuji lewat simulasi dan percobaan. Hasil pengujian
menunjukkanbahwa filter aktif riak keluaran penyearah
bisa diminimisasi sehingga menjadi sangat kecil,
walaupun sumber tegangan penyearahnya tidak
setimbang. Metode yang diusulkan cocok untuk
penyearahdaya besarkarena kapa.sitastegangandan arus
dari filter aktif yang diusulkan keduanya sangat kecil
dibandingkan dengan kapa.sitas penyearah. Optimasi
ukuran filter pasif LC dan filter aktif masih perlu diteliti
lebih lanjut. Pengaruh filter aktif pada kinerja dinamik
penyearahjuga masih perlu diteliti lebih mendalam.
Reeve,J. dan Baron, J.A., Harmonic DC Line Voltages
Arising from HVDC Power Conversion, IEEE Trans.
PowerApp. Sys.,89, 1619-1624(1970).
Mathur, R. M. dan Sharal A.M., Harmonicson the DC
Side in HVDC Conversion, IEEE Trans. Power AppL
Sys.,96, 163l-1637(1977).
8 . Kwon, B.H., Design of a Highly SrableElectromagnet
Power Supply, IEEE Trans. Ind. Electon.,39, 149-158
(1992).
9. Boenig, H.J., et.al.,Design and Operationof a 40-MW
Highly Stabilized Powcr Supp'ly, IEEE Trans. Ind.
Appl., 32, I 146-rr51 ( 1996).
10.Liang, R. dan Dewan, S.B., A Low-Ripple Power
Supply for High-Current Magnet I-oad, IEEE Trans. Ind.
Appl., 30, I 006-1015 (1994).
l l . Olivier, G., Stefanovic,V.R. dan Jamil, M.A., Digitally
Controlled Thyristor Curent Source, IEEE Trans. Ind.
Electr. & Cont.Instr., 26, 185-191(1979).
12. McMuray, W., The Closed-Loop Stability of Power
Converters with an Integrating Controller, IEEE Trans.
Ind. Appl.,18,521-531(1982).