studi komparasi pengontrolan arus masukan pada
advertisement
STUDI KOMPARASI PENGONTROLAN ARUS MASUKAN PADA PENYEARAH PWM TIGA-FASA DENGAN TIGA SAKLAR DAN DUA SAKLAR Een Taryana1dan Slamet Riyadi2 1 Departemen Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani (UNJANI) Jl. Trs. Jenderal Sudirman PO. BOX 148 Cimahi e-mail : [email protected] 2 Mahasiswa S3 Teknik Elektro ITB e-mail : [email protected] Abstract A comparative study of input phase currents waveshaping on three phase PWM rectifier is described in this paper. These two schemes for controlling input phase currents are, the first scheme, using two switches in the same leg operated to track two reference sinusoidal input current and the other, using three switches of three legs to do the same function. Based on the principal operation of three phase PWM rectifier, two scheme control blocks are made. Simulation is done to verify the analysis. Key Words: comparative, input current, pwm rectifier, three switches, two switches. Abstrak Pada paper ini, suatu studi komparasi pengontrolan arus masukan pada penyearah PWM tiga-fasa diusulkan. Dua skema pengontrolan arus input diusulkan. Metoda pertama akan menggunakan dua buah saklar yang terletak pada satu lengan untuk mengendalikan arus masukan mengikuti arus referensi. Kemudian metoda yang kedua menggunakan tiga buah saklar (masing-masing terletak pada lengan yang berbeda) untuk melakukan pengendalian arus fasa masukan. Suatu simulasi dilakukan untuk mengetahui akurasi analisis. Kata Kunci : arus input, dua lengan, penyearah pwm, perbandingan,tiga lengan. 1. Pendahuluan Penyearah dioda dan penyearah thyristor yang dikendalikan sudut fasanya masih banyak digunakan dalam aplikasi tertentu karena faktor kesederhanaan dan biaya yang rendah, tetapi penyearah jenis ini akan mengurangi kualitas daya pada sisi ac masukan yang disebabkan adanya kandungan harmonisa yang masih besar serta faktor daya yang relatif rendah. Teknik modulasi lebar pulsa (PWM = pulse width modulation) banyak diterapkan pada aplikasi penyearah. Dengan teknik ini, penyearah akan memiliki unjuk kerja yang lebih baik, di antaranya adalah distorsi arus masukan yang rendah faktor daya yang tinggi filter masukan relatif lebih kecil Untuk aplikasi daya yang relatif besar, penyearah PWM tiga fasa lebih cocok untuk digunakan. Banyak sekali skema rangkaian penyearah PWM tiga fasa [1]-[4], mulai dari yang mengimplementasikan satu saklar, tiga saklar maupun yang menggunakana saklar dua arah sebagai tambahan. Masing-masing skema akan memiliki cara kerja yang berbeda, sehingga teknik pengontrolannya juga akan berbeda. Pada paper [5], [6] digunakan metoda one cycle control untuk pengontrolan dalam aplikasi. Pada paper ini, dua metoda pengontrolan arus fasa masukan dari penyearah PWM tiga fasa dengan enam buah saklar dan satu dioda boost akan dianalisis. Metoda pertama akan menggunakan dua buah saklar yang terletak pada satu lengan untuk mengendalikan arus masukan mengikuti arus referensi. Kemudian metoda yang kedua menggunakan tiga buah saklar (masing-masing terletak pada lengan yang _____________________________________________________________________________ 12 Studi Komparatif Pengontrolan Arus Masukan Pada Penyearah PWM Tiga Fasa Dengan Tiga Saklar dan Dua Saklar (Een Taryana, Slamet Riyadi) Epsilon : Journal of Electrical Engineering and Information Technology Vol. 1, No. 1, July 2003 berbeda) untuk melakukan pengendalian arus fasa masukan. Suatu simulasi akan dilakukan untuk mengetahui akurasi analisis. mengoperasikan saklarnya dipengaruhi oleh interval waktu. Df D1 2. PWM Rectifier Tiga-Fasa vr Lr ir Ls is Lt it vs Pada Gb-1 diperlihatkan suatu penyearah PWM tiga-fasa yang menggunakan enam buah saklar semikonduktor dan masing-masing dipasang dioda antiparalel. Penyearah tersebut memiliki tiga buah lengan, masing-masing adalah lengan R dengan dua saklar T1 - T2, lengan S dengan saklar T3 – T4 dan lengan T dengan saklar T5 – T6. Pada sisi masukan terdapat tiga buah induktor L yang dipasang pada masing-masing fasa. Sumber tegangan masukan yang digunakan merupakan sumber tegangan ac sinusoidal tiga fasa seimbang dengan persamaan vr Vm sinùi (1) o Vm sin(ùi 120 ) o Vm sin(ùi 120 ) vs vt (2) (3) Df T1 vr Lr ir Ls is Lt it vs vt D1 T3 D3 T5 D5 + R C S T T2 D2 T4 D4 T6 E R D6 Gb-1 : PWM rectifier tiga fasa 1 0.5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -0.5 -1 -1.5 Gb. 2.Gelombang tegangan masukan tiga fasa seimbang 3. Skema Pengontrolan Pada skema pengontrolan menggunakan dua saklar yang terletak pada satu lengan, dasar yang digunakan adalah arus pada fasa yang paling positif dan paling negatif akan dikendalikan. Sehingga dalam kasus ini, hanya ada dua saklar yang beroperasi. Setiap lengan yang akan D3 + R C S E T T4 D4 D6 Gb-3 : Saklar pada lengan S digunakan untuk mengendalikan arus fasa r dan fasa t Untuk memahami bagaimana pengontrolan arus terjadi, maka pada Gb-3 ditunjukkan saklar pada lengan S (saklar T3 dan T4) dari penyearah PWM tiga fasa yang akan digunakan untuk mengendalikan arus masukan fasa r dan fasa t. Kondisi ini terjadi saat fasa r lebih positif dari fasa s dan fasa t lebih negatif dari fasa s (interval 90 t 150) dan arus referensi yang digunakan berasal dari fasa r dan fasa t. Pengendalian arus fasa r dilakukan dengan mengoperasikan saklar T3. Pada saat saklar T3 konduksi, maka akan mengalir arus dari tegangan vr , induktor Lr , dioda D1 , saklar T3 , induktor Ls dan tegangan vs . Pada kondisi ini arus fasa r akan naik dan persamaan yang dapat diturunkan pada loop ini adalah di r dt 1.5 -30 vt T3 vr vs 2L (4) Sedangkan saat saklar T3 tidak konduksi, maka akan mengalir arus dari tegangan vr , induktor Lr , dioda D1 , dioda Df , tegangan E, dioda D4 , induktor Ls dan tegangan vs , sehingga arus fasa r akan turun dan persamaan yang dapat diturunkan pada loop ini adalah di r dt vr vs E 2L (5) Sedangkan pengendalian arus fasa t dilakukan dengan mengoperasikan saklar T4. Pada saat saklar T4 konduksi, maka akan mengalir arus dari tegangan vs , induktor Ls , saklar T4 , dioda D6 , induktor Lt dan tegangan vt . Pada kondisi ini arus fasa t akan naik (polaritas negatif) dan persamaan yang dapat diturunkan pada loop ini adalah di t dt vs vt 2L (6) 13 Sedangkan saat saklar T4 tidak konduksi, maka akan mengalir arus dari tegangan vs , induktor Ls , dioda D3 , dioda Df , tegangan E, dioda D6 , induktor Lt dan tegangan vt , sehingga arus fasa t akan turun (polaritas negatif) dan persamaan yang dapat diturunkan pada loop ini adalah di t dt vs vt E 2L Fasa(+) t r r s s t Fasa(-) s s t t r r aktif T1 T 2 T5 T 6 T3 T 4 T1 T 2 T5 T 6 T3 T 4 Gambar 4 memperlihatkan blok pengontrolan arus dengan dua lengan. Df T1 Lr ir Ls is Lt it vs vt hysteresis controller operasi gerbang logika hysteresis controller operasi gerbang logika hysteresis controller operasi gerbang logika Lr ir Ls is Lt it vs vt D1 T3 D3 T5 D5 + R C S T T2 Tabel 1 : Kondisi saklar aktif vr T1 vr D1 T3 D3 T5 D5 T4 D4 T6 D6 Gb-5 : Saklar pada lengan S mengendalikan arus fasa s Pada saat arus fasa s berada di setengah siklus positif, maka untuk menaikkan arus fasa s ini, saklar T4 akan konduksi dan arus akan mengalir pada loop yang terbentuk dari tegangan vs , induktor Ls , saklar T4 , melalui dioda D2 atau D6, induktor Lr atau Lt dan tegangan fasa vr atau vt (bergantung fasa mana yang lebih negatif). Sedangkan saat saklar T4 tidak konduksi, maka loop arus akan terbentuk dari tegangan vs , induktor Ls , dioda D3 , dioda Df , tegangan E, melalui dioda D2 atau D6, induktor Lr atau Lt dan tegangan fasa vr atau vt (bergantung fasa mana yang lebih negatif), dan arus fasa s akan turun + R C S T T2 D2 E - (7) Untuk melihat kondisi saklar yang aktif, dapat dilihat pada table 1 dibawah ini. interval -30 30 30 90 90 150 150 210 210 270 270 330 Df D2 T4 D4 T6 E R D6 detektor fasa-interval Gb-4 : Blok kontrol pengontrolan arus dengan dua saklar Sedangkan pada skema pengontrolan arus fasa dengan menggunakan tiga saklar, setiap saat arus fasa referensi akan digunakan untuk menggerakkan saklar-saklar yang terletak pada ketiga lengan (setiap lengan hanya terdapat satu saklar yang akan konduksi). Pada skema ini, saklar yang berada pada lengan R akan mengendalikan arus fasa r, , saklar yang berada pada lengan S akan mengendalikan arus fasa s begitu pula dengan , saklar yang berada pada lengan T akan mengendalikan arus fasa t . Sedangkan pada saat arus fasa s berada di setengah siklus negatif, maka untuk menaikkan amplitudo arus fasa s ini, saklar T3 akan konduksi dan arus akan mengalir pada loop yang terbentuk dari tegangan vr atau vt , induktor Lr atau Lt ,melalui dioda D1 atau D5 (bergantung fasa mana yang lebih positif), saklar T3 , induktor Ls dan tegangan fasa vs. Dengan membuat T3 tidak konduksi, maka arus akan mengalir dari tegangan vr atau vt , induktor Lr atau Lt ,melalui dioda D1 atau D5 (bergantung fasa mana yang lebih positif), dioda Df , tegangan E, dioda D4 , induktor Ls dan tegangan fasa vs. Arus pada kondisi ini akan berkurang amplitudonya. Pada skema ini, arus fasa sesaat akan dibandingkan dengan arus referensi dan keluarannya akan dimasukkan ke hysteresis controller. Keluaran dari hysteresis controller akan digunakan untuk menghidupkan atau mematikan saklar-saklar. Atau dapat disederhanakan menjadi _____________________________________________________________________________ 14 Studi Komparatif Pengontrolan Arus Masukan Pada Penyearah PWM Tiga Fasa Dengan Tiga Saklar dan Dua Saklar (Een Taryana, Slamet Riyadi) Epsilon : Journal of Electrical Engineering and Information Technology Vol. 1, No. 1, July 2003 if Ir(ref) Ir(act) ON if Is(ref) Is(act) ON if It(ref) It(act) ON then T1 ON unless T2 then T3 ON unless T4 then T5 ON unless T6 Gb-7c : Arus fasa referensi dan arus fasa sesaat Df T1 vr Lr ir Ls is Lt it vs vt D1 D3 T5 D5 + R C S T hysteresis controller hysteresis controller T3 T2 D2 T4 D4 T6 E R D6 Gb-8a : Arus fasa sesaat hysteresis controller Gb-6 : Blok kontrol pengontrolan arus dengan tiga saklar Gb-8b :Tegangan masukan dan arus fasa sesaat 4. Simulasi dan Analisa Untuk mengetahui komparasi dari kedua skema pengontrolan arus fasa masukan, maka penulis melakukan simulasi. Pada Gb-7 disajikan hasil simulasi untuk skema pengontrolan arus fasa masukan dengan mengoperasikan dua saklar pada lengan yang sama dan pada Gb-8 untuk skema pengontrolan arus fasa masukan dengan mengoperasikan saklar pada ketiga lengan. Gb-7a : Arus fasa sesaat Gb-7b :Tegangan masukan dan arus fasa sesaat Gb-8c : Arus fasa referensi dan arus fasa sesaat Pada pengontrolan arus masukan yang menggunakan saklar-saklar yang terletak pada satu lengan, maka setiap interval perioda switching hanya ada dua buah saklar yang beroperasi. Hal ini akan mengurangi rugi-rugi daya total pada saklar semikonduktor. Sedangkan pada pengontrolan arus dengan menggunakan tiga buah saklar (terletak pada lengan yang berbeda), setiap interval switching akan mengoperasikan tiga buah saklar sehingga rugi-rugi daya total akan lebih besar sehingga akan menurunkan efisiensinya. Dengan membandingkan kurva pada Gb-7a dan Gb-8a akan tampak bahwa pengontrolan arus dengan dua buah saklar pada satu lengan akan memberikan arus masukan lebih mendekati arus referensi. Pada metoda pengontrolan arus dengan mengoperasikan tiga saklar, arus masukan memiliki fluktuasi yang lebih besar. 15 5. Kesimpulan Suatu studi perbandingan teknik pengontrolan pada PWM boost rectifier tiga fasa telah dilakukan. Metoda pengontrolan yang digunakan berbasis pada pengoperasian saklarsaklar pada satu lengan dan pengontrolan setiap saklar pada ketiga lengan. Hasil simulasi menunjukkan kelebihan pada pengontrolan berbasis pada pengoperasian saklar-saklar pada satu lengan. Daftar Pustaka Slamet Riyadi, Penulis lahir di Semarang pada tahun 1967, menyelesaikan S-1 bidang elektro FT. UNDIP tahun 1991. Kemudian bergabung dengan Perusahaan Asing sebagai Senior Technical Expert. Tahun 1997 menyelesaikan S2 bidang elektro (elektronika daya) ITB. Tahun 2003 ini tercatat sebagai mahasiswa S3 di Jurusan Teknik Elektro ITB. 1. J. C. Salmon, “Circuit Topology for Single Phase Voltage-Doubler Boost Rectifier”, IEEE Trans. Power Electronics, vol-8 no-4, pp. 521-529, Oct 1993 2. J. C. Salmon, “Operating a Three Phase Diode Rectifier with a Low Input Current Distortion Using a Series-Connected Dual Boost Converter ”, IEEE Trans. Power Electronics, vol-11 no-4, pp. 592-603, Jul 1996 3. J. C. Salmon, “Reliable Three Phase PWM Boost Rectifier Employing a Stacked Dual Boost Converter Subtopology”, IEEE Trans. Industry Applications, vol-32 no-3, pp. 542551, May/Jun 1996 4. C. Qiao, K. M. Smedley, “A General Three Phase PFC Controller for Rectifiers with a Series-Connected Dual Boost Topology”, IEEE Trans. Industry Applications, vol-38 no-1, pp. 137-148, Jan/Feb 2002 5. C. Qiao, K. M. Smedley, “Three Phase Bipolar Mode Active Power Filter”, IEEE Trans. Industry Applications, vol-38 no-1, pp. 149-158, Jan/Feb 2002 Een Taryana, menyelesaikan S-1 di Universitas Jenderal Achmad Yani bidang studi Teknik Tenaga Listrik, S2 di Institut Teknologi Bandung (ITB) Jurusan Teknik Elektro bidang khusus Mesin-Mesin Listrik dan Elektronika daya. Pada saat ini disamping sebagai dosen di Jurusan Teknik Elektro, juga menjabat sebagai Ketua Program D3 Elektro Unjani. _____________________________________________________________________________ 16 Studi Komparatif Pengontrolan Arus Masukan Pada Penyearah PWM Tiga Fasa Dengan Tiga Saklar dan Dua Saklar (Een Taryana, Slamet Riyadi)
