Elektronika Daya Lanjut -1.pdf

8/16/2019 Elektronika Daya Lanjut -1.pdf

1/23

1

Diterjemahkan oleh Kunto.W (2015), dari buku:“Digital Power Electronics and Applications”, Fang Lin Luo, Hong Ye, Muhammad H. Rashid,Elsevier Academic Press, 2005.

BAB 1.

IntoduksiElektronika daya dan teknologi konversi adalah profesi menarik dan menantang bagi siapa saja

yang memiliki minat yang tulus dalam, dan bakat untuk, sains dan matematika terapan. Sebenarnya,

pengetahuan yang ada dalam elektronika daya belum tuntas. Semua switching sirkuit daya listrikmeliputi konverter daya DC/DC dan pensaklaran inverter modulasi-pulsa-lebar (PWM) DC/AC (DC:arus searah; AC: arus bolak-balik) tampil pada status switching frekuensi tinggi. Pengetahuantraditional tidak sepenuhnya mempertimbangkan proses pumping-filtering , proses resonansi danoperasi tegangan-angkat (voltage-lift ). Oleh karena itu, pengetahuan yang ada tidak dapat dengan baikmenggambarkan karakteristik switching sirkuit listrik yang meliputi konverter daya DC/DC. Untukmengungkapkan kerugian dari pengetahuan yang ada, kita harus meninjau Elektronika Daya ( Power

Electronics) analog tradisional dalam Bab ini.

ULASAN SEJARAH Elektronika daya dan teknologi konversi prihatin dengan sistem yang menghasilkan, transmisi,

kendali dan pengukuran daya listrik dan energi. Untuk menggambarkan karakteristik sistem tenaga, berbagai parameter pengukuran yang disebut faktor diterapkan. Konsep-konsep penting adalah faktor

daya (PF), efisiensi transfer daya (), faktor riak (RF) dan distorsi harmonik total (THD). Untuk pendidikan jangka-panjang dan praktek rekayasa, kita tahu bahwa sistem daya tradisional telah berhasil digambarkan menggunakan parameter tersebut.

Konsep-konsep penting akan diperkenalkan di bagian berikut.

Usaha, Energi dan Panas

Usaha, W dan energi, E yang diukur dengan satuan "joule". Biasanya kita sebut energi kinetiksebagai "usaha", dan yang tersimpan atau energi statik sebagai "energi" potensial. Usaha dan energidapat ditransfer menjadi panas, yang diukur dalam "kalori". Berikut adalah hubungan (hukum Joule-Lenz):

1 joule = 0.24 kalori

atau

1 kalori = 4.18 joule

Dalam mekanisme ini, ada hubungan antara daya, P, dan usaha, W, dan/ atau energi, E:

= ∫ ; = ∫ dan = ; = Daya P diukur dengan satuan "Watt", dan

1 joule = 1 watt × 1 secondatau

1 watt = 1 joule/ 1 second

1.1.2 Peralatan DC dan AC

Penyedia daya dibagi menjadi dua kelompok utama: DC dan AC. Peralatan yang sesuai dibagi juga ke dalam jenis DC dan AC, misalnya Generator DC, generator AC, motor DC, motor AC, dll.Penyedia Daya DC


2/23

2

Sebuah penyedia daya DC memiliki parameter: tegangan (amplitudo) Vdc dan faktor riak (riple factor , RF). Sebuah penyedia daya DC dapat mengantikan sebuah baterai, generator DC ataukonverter DC/DC.

Penyedia Daya AC

Penyedia daya AC memiliki parameter: tegangan (amplitudo, nilai akar-rerata-kuadrat (root-

mean-square, rms atau RMS) dan nilai rerata), frekuensi ( f atau ω), sudut fase ( atau ) dan distorsiharmonik total (THD). Penyedia daya AC dapat menjadi sebuah generator AC, transformator atauinverter DC/ AC. Tegangan AC dapat disajikan sebagai berikut:

= = √ (1.1) dengan v (t) adalah ukuran tegangan AC sesaat; V p, nilai puncak tegangan; V rms, nilai rms dari

tegangan; ω, frekuensi sudut, ω = 2πf ; f , frekuensi penyedia daya, misalnya f = 50 Hz dan θ , suduttunda fase.

1.1.3 Beban

Penyedia daya sumber mentransfer energi ke beban. Jika karakteristik beban dapatdigambarkan menggunakan persamaan diferensial linier, kita sebut beban sebagai beban linier. Jikatidak, kita sebut beban sebagai beban non-linier (yaitu dioda, relay dan elemen-hysteresis yang tidakdapat digambarkan menggunakan persamaan diferensial linier). Beban linear umum dibagi menjadi

dua kategori: beban pasif dan dinamis.

Beban Pasif Linier

Beban pasif linier adalah resistans ( R), induktans ( L) dan kapasitans (C ). Semua komponen inimemenuhi persamaan diferensial linier. Jika arus untai I seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1,dari hukum Ohm kita memiliki:

V R = RI (1.2)

V L=

L (1.3)

V C = 1 (1.4) = + + = + + ∫ (1.5) Persamaan (1.2) - (1.5) semua persamaan merupakan diferensial linier.

Beban Dinamik Linier

Beban dinamik linier adalah gaya elektromagnetik balik (EMF) DC dan AC. Semua komponenini memenuhi operasi persamaan diferensial. EMF balik dari motor DC adalah EMF balik DC dengantegangan DC yang sebanding dengan fluks medan dan kecepatan putar jangkar:

= (1.6)di mana k adalah konstanta mesin DC; , fluks medan dan , kecepatan putar mesin dalam rad/ s.

Gambar 1.1 Sebuah untai L – R – C.


3/23

3

EMF balik dari motor AC adalah EMF balik AC dengan tegangan AC yang sebanding denganfluks medan dan kecepatan putar rotor.

1.1.4 Impedans

Jika rangkaian R-L-C disuplai oleh sumber tegangan dengan mono-frekuensi (

=

) gelombang

sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1, kita dapat menyederhanakan persamaan

diferensial (1.5) ke dalam persamaan aljabar dengan menggunakan konsep "impedans", Z:

= (1.7)Kita definisikan impedansi Z sebagai berikut:

= + = + = || ∠ (1.8)dengan =

|| = ( ) (1.9) = (1.10)dimana adalah sudut fase konjugasi. Bagian nyata dari impedans Z didefinisikan sebagai resistensiR, dan bagian imajiner dari impedans Z didefinisikan sebagai reaktans X . Reaktans memiliki dua

komponen: bagian positif disebut reaktans induktif dan bagian negatif disebut reaktansi kapasitif. Daya pengiriman telah dilengkapi hanya pada resistansi. Reaktansi hanya dapat menyimpanenergi dan pergeseran sudut fase. Tidak ada daya yang dikonsumsi pada reaktansi, yang menghasilkandaya reaktif dan bersifat mengganggu ( spoils) pengiriman daya.

Dari hukum Ohm, kita bisa mendapatkan vektor arus ( I ) dari vektor tegangan (V ) dan impedans( Z ):

= = = || ∠ (1.11)

Gambar 1.2 Sebuah untai L – R.

Sebagian besar peralatan aplikasi industri berupa beban induktif. Sebagai contoh, untai R-L disuplaioleh tegangan sinusoidal V , dan ditunjukkan pada Gambar 1.2. Impedans Z yang diperoleh adalah:

= + = + = || ∠ (1.12)dengan || = dan = ( ) Pilih tegangan suplai V sebagai vektor referensi dengan fase sudut nol. Vektor arus tertunda dari

tegangan oleh sudut konjugasi. Sesuai diagram vektor juga ditunjukkan pada Gambar 1.3.gelombang tegangan dan arus ditunjukkan pada Gambar 1.4.


4/23

4

1.1.5 Daya

Ada berbagai daya seperti daya nyata (apparent power ) atau daya yang kompleks, S , daya riil (ataureal power ), P , dan daya reaktif, Q.

Gambar 1.3 Diagram vektor untuk untai L-R.

Gambar 1.4 Hubungan antara bentuk gelombang tegangan dan arus.

Gambar 1.5 Diagram vektor daya untuk rangkaian L- R.

Daya Nyata S (Apparent Power S )

Kita mendefinisikan daya S sebagai berikut:

= * = (1.14)Daya P

Power atau daya riil P adalah bagian riil dari daya nyata S:

= = (1.15)Daya Reaktif Q

Daya reaktif Q adalah bagian imajiner dari nyata daya S:

=

=

(1.16)


5/23

5

Mengacu pada untai R-L pada Gambar 1.2, kita dapat menunjukkan hubungan vektor daya padaGambar 1.5.

1.2 PARAMETER TRADITIONALParameter tradisional yang digunakan dalam elektronika daya adalah faktor daya (PF), efisiensi

transfer daya (), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). Menggunakan parameter initelah berhasil menggambarkan karakteristik (pembangkitan, transmisi, distribusi, proteksi dan analisisharmonik) sistem daya dan sebagian besar sistem drive (pen-drive motor AC dan DC). 1.2.1 Power Factor (PF )Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan daya nyata P terhadap daya nyata S :

= = = = (1.17)Gambar 1.5 digunakan untuk mengilustarsikan faktor daya (PF)

1.2.2 Efisiensi Transfer-Daya (η)Efisiensi transfer-daya () didefinisikan oleh perbandingan daya keluaran (output ) terhadap dayamasukan (input ) : = (1.18)Daya keluaran yang diterima oleh beban sebagai pengguna akhir (end user ). Daya input biasanya dihasilkan oleh sumber listrik. Daya input dan daya output keduanya adalah dayanyata.

1.2.3 Total Harmonic Distortion (THD )Sebuah bentuk gelombang AC periodik biasanya memiliki berbagai urutan harmonik. Karena nilai

sesaat secara periodik berulang dalam frekuensi dasar ( fundamental frequency) (atau = ),hubungan spektrum dalam domain frekuensi terdiri dari puncak-puncak diskrit pada frekuensi (atau = ), di mana n = 1, 2, 3, ... ∞. Komponen order-pertama (n = 1) bersesuaian dengankomponen fundamental . Distorsi harmonik total (THD) didefinisikan oleh perbandingan jumlahsemua harmonik orde lebih tinggi terhadap harmonik mendasar :

=1

2

2

V

v

n

n

(1.19)

dimana semua ( = 1, 2, 3,…∞) bersesuaian nilai rms-nya.1.2.4 Faktor Riak (Ripple Factor / RF)Sebuah bentuk gelombang DC biasanya memiliki komponen DC yaitu dan berbagai harmonikordo-tinggi. Harmonik ini membuat variasi pada gelombang DC (riak). Karena nilai sesaat secara

periodik berulang dalam frekuensi dasar (atau = ), spektrum yang sesuai dalam domainfrekuensi terdiri dari puncak diskrit pada frekuensi (atau = ), di mana n = 1, 2, 3, ... ∞.Komponen ordo-ke nol (n = 0) berhubungan dengan komponen DC yaitu . Faktor riak (RF)didefinisikan sebagai perbandingan dari jumlah semua harmonik ordo-yang lebih tinggi terhadapkomponen DC pada Vdc:


6/23

6

=dc

1

2

V

v

n

n

(1.20)

dimana semua (n = 1, 2, 3,…∞) berhubungan nilai rms-nya.1.2.5 Contoh AplikasiUntuk menggambarkan parameter fundamental yang lebih baik kita sediakan beberapa contoh sebagai penerapan parameter tersebut di bagian ini.

Daya dan Efisiensi (η)

Sebuah beban resistif R murni disuplai oleh sumber tegangan DC V dengan resistansi internal yangditunjukkan pada Gambar 1.6. Arus I diperoleh dengan ekspresi perhitungan:

=

(1.21)

Tegangan output adalah: = (1.22)

Gambar 1.6 Sebuah beban resistif murni disediakan oleh sumber DC

sebagai resistans internal.

Daya output adalah: = R = (1.23)Efisiensi transfer-daya () adalah:

= = = (1.24)Untuk mendapatkan daya output maksimum, kita dapat menentukan kondisi dengan menurunkanPersamaan (1.23):

= * + = 0 (1.25) = 0

maka, (1.26) Ketika

, diperoleh output daya maksimum:

= (1.27)


7/23

7

dan kaitannya dengan efisiensi: = = 0.5 (1.28) Contoh ini menunjukkan bahwa daya dan efisiensi adalah konsep yang berbeda. Ketika beban R

adalah sama dengan resistansi internal

, daya output maksimum diperoleh dengan efisiensi

=

50%. Begitu juga sebaliknya, jika kita ingin mendapatkan efisiensi maksimum = 1 atau 100%, itumemerlukan beban R dengan nilai tak berhingga (jika resistansi internal tidak bisa sama dengannol). Hal ini menyebabkan daya keluaran yang sama dengan nol. Hubungan yang menarik tercantumdi bawah ini:

Maximum output power = 50%Output power = 0 = 100%

Kasus kedua bersesuaian dengan untai terbuka. Meskipun perhitungan teoritis menggambarkan

efisiensi = 1 atau 100%, tidak ada daya yang dikirim dari sumber ke beban. Situasi yang lain adalah = 0 yang menyebabkan arus keluaran yang bernilai maksimum, yaitu

=

/

sebagai (1,21) dan:

Output power = 0 = 0%Kalkulasi Untai R – L

Gambar 1.7 menunjukkan sumber penyedia daya sinusoidal fase-tunggal dengan resistans internal = 0.2 , menyuplai rangkaian R-L dengan R = 1 dan L = 3 mH. Sumber tegangan adalah gelombangsinusoidal dengan tegangan 16V (tegangan rms) dan frekuensi f = 50 Hz:

= 16√ V (1.29)impedans internal adalah: = = 0.2 (1.30)impedans beban adalah:

= 1 + 3 = 1 + = 1.3724∠ (1.31) + = 1.2 + = 1.524∠ (1.32)Arusnya adalah: = = √ A (1.33)Tegangan output melalui untai R – L adalah:

= = √ A (1.34) Apparent power S pada beban adalah:

= = = VA (1.35)Daya output riil pada beban adalah:= = = = W (1.36)

Gambar 1.7 Sebuah rangkaian R-L disuplai olehsumber AC dengan resistans internal.


8/23

8

Daya input riil adalah: = = = W (1.37)maka, faktor daya PF pada beban adalah:

=

= cos

=

=

(lagging) (1.38)

Hubungan daya reaktif adalah: = = VAR (1.39)maka, efisiensi transfer-daya adalah:

= = = (1.40)Cara lain untuk menghitung efisiensi adalah:

=

=

=

Untuk mendapatkan daya output maksimum kita harus memilih kondisi yang sama seperti pada persamaan (1.26),

= = (1.41)Daya output maksimum adalah:

= = = W (1.42)Dengan efisiensi (

) adalah:

= (1.43)

Gambar 1.8 Sebuah sumber tiga-fasa menyuplai dioda penyearah

gelombang-penuh untuk beban R-L.

Kalkulasi Untai Tiga-Fasa

Gambar 1.8 menunjukkan sumber penyedia daya sinusoidal tiga fase seimbang yang menyuplai penyearah dioda-jembatan gelombang penuh untuk beban R-L. Setiap sumber fase-tunggal adalah

sumber tegangan sinusoidal dengan impedans internal 10 k ditambah 10 mH. Beban adalah untai R-


9/23

9

L dengan R = 240 dan L = 50 mH. Tegangan fasa sumber mempunyai amplitudo 16V (nilai rmsnya adalah 16/ √2 = 11.3V) dan frekuensi f = 50 Hz. Hal ini disajikan sebagai:

= V (1.44)Impedans internal adalah:

= = (1.45)Impedans beban adalah:

= = = ∠ (1.46)Tegangan line-to-line AC input jembatan diukur dan diperlihatkan pada Gambar 1.9. Dapat dilihat bahwa masukan tegangan AC terdistorsi. Setelah analisis fast fourier transform (FFT), spektrum yangsesuai dapat diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.10 untuk ragam gelombang(waveform) tegangan saluran AC masukan jembatan.

Nilai fundamental tegangan input line-line dan tegangan puncak harmonik untuk perhitungan

THD tercantum pada Tabel 1.1.Menggunakan persamaan (1.19) untuk menghitung THD, diperoleh,

=1

2

2

V

v

n

n

√ = (1.47)

Kita mengukur tegangan output DC pada Gambar 1.11. Dapat dilihat bahwa tegangan DC memilikiriak. Setelah analisis FFT, kita mendapatkan spektrum yang sesuai seperti yang ditunjukkan padaGambar 1.12 untuk ragam gelombang tegangan output DC.

Gambar 1.9 Ragam gelombang tegangan AC saluran input.

Gambar 1.10 Spektrum FFT ragam gelombang AC saluran input.


10/23

10

Table 1.1

The harmonic peak voltages of the distorted the input line – line voltage

Order no. Fundamental 5 7 11 13 17 19Volts 27.62 0.737 0.464 0.566 0.422 0.426 0.34

Order no. 23 25 29 31 35 37 THD

Volts 0.297 0.245 0.196 0.164 0.143 0.119 4.86%

Gambar 1.11 Ragam gelombang tegangan output DC.

Gambar 1.12 Spektrum FFT ragam gelombang output DC.

Tegangan output beban DC dan tegangan puncak harmonik untuk perhitungan RF tercantum padaTabel 1.2. Menggunakan rumus (1.20) untuk menghitung RF, kita memiliki,

=

dc-o

1

-o

2

V

v

n

n

=

√ √

= 5.24 % (1.48)

Dari tegangan dan arus fasa input, faktor daya parsial () diperoleh, = = (1.49)

Table 1.2

The harmonic peak voltages of the DC output voltage with ripple

Order no. DC 6 12 18 24 30 36 RFVolts 26.15 1.841 0.500 0.212 0.156 0.151 0.134 5.24%


11/23

11

Table 1.3

The harmonic peak voltages of the input phase current

Order no. Fundamental 5 7 11 13 17 19Amperes 0.12024 2.7001e – 2 1.2176e – 2 9.3972e – 3 5.9472e – 3 4.5805e – 3 3.2942e – 3Order no. 23 25 29 31 35 37 Total PF

Amperes 2.3524e – 3 1.8161e – 3 1.2234e – 3 9.7928e – 4 7.3822e – 4 5.9850e – 4 0.959

Table 1.4

The harmonic peak voltages of the output DC current

Order no. DC (0) 6 12 18 24 30 36 η

Amperes 0.109 7.14e – 3 1.64e – 3 5.72e – 4 3.49e – 4 2.85e – 4 2.19e – 4 0.993

Nilai puncak arus fasa input dan nilai puncak arus harmonik orde-lebih tinggi tercantum dalam Tabel1.3. = √ = A

=

02

n ni = A

Faktor daya total = = = Rerata arus beban output DC dan nilai puncak arus harmonik ordo-lebih tinggi tercantum pada Tabel

1.4. = 0

2

n nv = V

= 0 2n ni = AEffisiensi () adalah: = =

= = % (1.50)

Dari contoh ini, kita sepenuhnya menunjukkan empat parameter penting: faktor daya ( PF ), efisiensi

daya transfer ( ), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak ( RF ). Biasanya, empat parameter inicukup untuk menggambarkan karakteristik sistem penyedia daya.

1.3 OPERASI MULTI-KUADRAN DAN CHOPPEROperasi multi-kuadran (multiple-quadrant operation) diperlukan dalam aplikasi industri. Misalnya,sebuah motor DC dapat melakukan running maju atau running mundur. Tegangan jangkar dan arus jangkar motor keduanya positif selama proses asutan maju ( forward starting ). Kita biasanyamenyebutnya operasi motoring maju ( forward motoring operation) atau operasi "Kuadran I".Tegangan jangkar motor masih positif dan arus jangkar adalah negatif selama proses pengeremanmaju. Status ini disebut operasi pengereman regeneratif maju atau operasi "Kuadran II.

Secara analog, tegangan dan arus jangkar motor keduanya negatif selama proses asutan berbalik arah (reverse starting ). Kita biasanya menyebutnya operasi motoring mundur (reverse

motoring ) atau operasi "Kuadran III". Tegangan jangkar motor masih negatif dan arus jangkar adalah positif selama proses pengereman balik. Keadaan ini disebut operasi pengereman regeneratif mundur(reverse regenerative braking operation) atau operasi "Kuadran IV".


12/23

12

Mengacu pada keadaan operasi motor DC, kita dapat mendefinisikan operasi multi-kuadransebagai berikut:

Operasi kuadran I: Forward motoring; tegangan dan arus positif;Operasi kuadran II: Pengereman regeneratif maju; tegangan positif dan arus negatif;Operasi kuadran III: Reverse motoring; tegangan dan arus negatif;Operasi kuadran IV: Pengereman regeneratif mundur; tegangan negatif dan arus positif.

Status operasi ditunjukkan dalam Gambar 1.13. Chopper dapat mengkonversi tegangan DCtetap menjadi berbagai tegangan lainnya. Chopper yang sesuai biasanya disebut sebagai operasikuadran chopper , misalnya chopper kuadran-pertama atau chopper-jenis "A". Dalam uraian berikut

ini kita menggunakan simbol untuk tegangan tetap, untuk tegangan cacah (chopped ) dan untuk tegangan output.

Figure 1.13 Operasi empat-kuadran.

Chopper kuadran-pertama juga disebut chopper jenis-"A" dan diagram untainya ditunjukkan padaGambar 1.14 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 1.14 (b). Saklar Sdapat berupa beberapa divais semikonduktor seperti BJT, transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT)dan transistor efek medan MOS (MOSFET) daya. Dengan asumsi semua bagian komponen ideal,tegangan output dihitung dengan rumus:

= = (1.51)dimana T adalah periode berulang ( = ), di mana f adalah frekuensi chopping; adalah waktu switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).

(a) (b)

Gambar 1.14 Chopper kuadran-pertama.(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.


13/23

13

1.3.2 Chopper Kuadran-KeduaChopper kuadran-kedua juga disebut chopper tipe-"B" dan diagram untainya diperlihatkan padaGambar 1.15 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 1.15 (b). Tegangan

output dapat dihitung dengan rumus:

= = (1.52)dimana T adalah periode berulang ( = ), di mana f adalah frekuensi potong; adalah waktu switch-off ( = T - ) dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).

(a) (b)Gambar 1.15 Chopper kuadran-kedua.

(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.

1.3.3 Chopper Kuadran-KetigaChopper kuadran-ketiga diperlihatkan pada Gambar 1.16 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai

diperlihatkan pada Gambar 1.16 (b). Semua polaritas tegangan didefinisikan dalam gambar. Teganganoutput (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus:

= = (1.53)Dimana adalah waktu switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).

(a) (b)Gambar 1.16 Chopper kuadran-ketiga.



14/23

14

1.3.4 Chopper Quadrant-KeempatChopper kuadran-keempat diperlihatkan pada Gambar 1.17 (a) dan bentuk gelombang yang sesuaidiperlihatkan pada Gambar 1.17 (b). Semua tegangan polaritas didefinisikan dalam gambar.

(a) (b)Gambar 1.17 Chopper kuadran-keempat.


Tegangan output (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus:

= = (1.54)dimana adalah waktu switch-off ( = T - ) dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).1.3.5 Chopper First

– Second-Quadrant

Chopper kuadran-kedua-pertama diperlihatkan pada Gambar 1.18. Operasi dual-kuadran

biasanya dibutuhkan dalam sistem dengan dua sumber tegangan dan . Asumsikankondisi > , induktor L adalah komponen yang ideal. Selama Kuadran operasi I, S1 danD2 bekerja (work ), dan S2 dan D1 yang menganggur (idle). Sebaliknya, selama operasi

Kuadran II, S2 dan D1 bekerja, dan S1 dan D2 yang menganggur. Hubungan antara dua

sumber tegangan dapat dihitung dengan rumus:

= { (1.55)Dimana k adalah duty cycle konduksi ( = ).

Gambar 1.18 Chopper kuadran-kedua-yang pertama.


15/23

15

1.3.6 Chopper Third – Fourth-QuadrantChopper kuadran keempat-yang ketiga diperlihatkan pada Gambar 1.19. Operasi dual-kuadran

biasanya dibutuhkan dalam sistem dengan dua sumber tegangan dan . Kedua polaritas tegangandidefinisikan dalam gambar, kita hanya berkonsentrasi pada nilai absolutnya dalam analisis dan

perhitungan. Asumsikan kondisi

>

, induktor L adalah komponen yang ideal. Selama operasi

Quadrant III, S1 dan D2 bekerja, dan S2 dan D1 menganggur. Sebaliknya, selama operasi QuadrantIV, S2 dan D1 bekerja, dan S1 dan D2 menganggur. Hubungan antara dua sumber tegangan dapatdihitung dengan rumus: = { (1.56)Dimana k adalah duty cycle konduksi ( = ).

Gambar 1.19 Chopper kuadran-keempat-yang ketiga.

1.3.7 Chopper Empat-KuadranChopper empat-kuadran diperlihatkan pada Gambar 1.20. Tegangan input positif, tegangan outputdapat berupa positif atau negatif. Status switch dan dioda untuk operasi diberikan dalam Tabel 1.5.Tegangan output dapat dihitung dengan rumus:

=

(1.57)

Gambar 1.20 Chopper kuadran-keempat.

Tabel 1-5Status saklar dan dioda untuk operasi empat-kuadran

Saklar atau dioda Kuadran I Kuadran II Kuadran III Kuadran IV

S1 Kerja Nganggur Nganggur Kerja

D1 Nganggur Kerja Kerja Nganggur

S2 Nganggur Kerja Kerja NganggurD2 Kerja Nganggur Nganggur Kerja

S3 Nganggur Nganggur ON Nganggur

D3 Nganggur Nganggur Nganggur ON

S4 ON Nganggur Nganggur Nganggur

D4 Nganggur ON Nganggur Nganggur

Output , , , ,


16/23

16

1.4 ELEKTRONIKA DAYA DIGITAL: UNTAI POMPA DAN TEKNOLOGI KONVERSI

Selain chopper ada lebih banyak untai switching diterapkan dalam aplikasi industri. Untai switchingini bekerja pada keadaan waktu-diskrit. Sejak untai switching frekuensi tinggi dapat mentransferenergi dalam kepadatan daya tinggi dan efisiensi yang tinggi, mereka telah diterapkan pada lebih banyak cabang elektronika daya. Pengiriman energi dan daya dari sumber ke pengguna tidak secarakontinyu. Oleh karena itu, teori kontrol digital harus diterapkan pada masalah ini.

Gambar 1.21 Pumping circuits: (a) buck pump, (b) boost pump,(c) buck – boost pump, (d) positive Luo-pump,

(e) negative Luo-pump, (f) positive super Luo-pump and(g) negative super Luo-pump.

Semua teknologi konversi (seperti untai pemompa ( pumping circuits), penyearah AC/DC,inverter DC/AC, konverter DC/DC dan AC/AC (dan/atau konverter AC/DC/AC) yang secara teoritis

didasarkan pada untai switching. Hal ini mendesak untuk menyelidiki elektronika daya digitaldaripada kontrol analog tradisional diterapkan pada elektronika daya analog. Untai yang umum

berikut adalah contoh untai switching yang bekerja dalam mode waktu-diskrit.

1.4.1 Dasar Untai Pompa

Semua konverter daya DC/DC memiliki untai pompa. untai pompa adalah untai switching umumuntuk mengkonversi energi dari sumber energi ke komponen penyimpan-energi dalam keadaandiskrit. Setiap pompa memiliki saklar S dan komponen penyimpan-energi dapat berupa induktor L.

Saklar S dinyalakan sekali dalam setiap periode = , dimana f adalah frekuensi switching. Olehkarena itu, energi yang ditransfer dalam periode adalah nilai tertentu yang dapat disebut kuantumenergi. Gambar 1.21 menunjukkan tujuh untai pompa (buck, boost, buck-boost, Luo positif, Luo

negatif, Luo super positif dan Luo super negatif), yang digunakan dalam kaitan dengan konverterDC/DC.

Semua untai pemompa adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber ke bebanatau komponen penyimpanan-energi tertentu dalam keadaan diskrit. Setiap untai pemompa memilikisetidaknya satu saklar dan satu elemen energi penyipan, misalnya sebuah induktor. Saklar

dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode T (

=

, dimana f adalah frekuensi switching ) dan

siklus-aktif (duty cycle) konduksi k . Energi diserap dari sumber energi ke induktor selama periode switching -on kT . Energi yang tersimpan dalam induktor akan dikirimkan dalam tahap berikutnya


17/23

17

selama switching -off period (1-k ) T . Oleh karena itu, energi dari sumber ke pengguna ditransfer dalammode waktu-diskrit.

1.4.2 Penyearah (Rectifiers ) AC/DCSemua penyearah terkendali AC/DC adalah untai switching . Gambar 1.22 memperlihatkan beberapauntai penyearah (dinamakan penyearah terkendali setengah-gelombang satu-fasa, gelombang-penuhfasa-tunggal, setengah-gelombang tiga-fasa, dan setengah-gelombang tiga-fasa), yang digunakandalam kaitan dengan konverter AC/DC .

Semua untai penyearah AC/DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumberAC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap penyearah AC/DC yang dikendalikan memiliki setidaknyasatu saklar (switch). Sebagai contoh, sebuah thyristor terkendali setengah gelombang (penyearahterkendali silikon, SCR) penyearah (rectifier ) memiliki satu saklar SCR. Saklar dikendalikan oleh

isyarat pulsa yang disulutkan dengan periode berulang T ( = , dimana f adalah frekuensi pensaklaran ( switching ) untuk penyearah fasa-tunggal) sebagai periode konduksi. Energi disampaikandari sumber energi ke beban selama periode switching -on. Energi akan diblokir selama periode switching -off . Oleh karena itu, energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.

1.4.3 Inverter PWM DC/ACSemua inverter DC/AC adalah untai switching. Gambar 1.23 menunjukkan tiga (fase tunggal, tigafase, tiga-fasa tiga-tingkat) untai inverter PWM DC/AC, yang digunakan dalam inverter DC/AC yangsesuai.

Semua untai inverter PWM DC/AC adalah untai switching yang mengkonversi energi darisumber DC ke baban dalam keadaan diskrit. Setiap inverter DC/AC memiliki beberapa switch. Switch

dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode berulang T ( = , dimana f adalah frekuensiswitching untuk penyearah fasa-tunggal) dan rasio modulasi m. Energi dialirkan dari sumber energi ke beban selama periode switching -on. Energi diblokir selama periode switching -off . Oleh karena itu,

energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode diskrit-waktu.

Gambar 1.22 Penyearah terkendali AC/DC:(a) Penyearah terkendali setengah-gelombang fasa-tunggal dan(b) Penyearah terkendali gelombang-penuh fasa-tunggal


18/23

18

Gambar 1.22 (lanjutan) (c) Penyearah terkendali setengah-gelombang tiga-fasa dan(d) Penyearah terkendali gelombang-penuh tiga-fasa

1.4.4 Konverter DC/DCSemua konverter DC/DC adalah untai switching. Gambar 1.24 memperlihatkan tujuh (buck,

boost, buck-boost, Luo output positif, Luo output negatif, konverter Luo super -lift keluaran positifdan konverter Luo super -lift keluaran negatif) untai konverter DC/DC.

Semua untai konverter DC /DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumberDC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap daya konverter DC/DC memiliki setidaknya satu untai pompa (pumping circut) dan filter. Saklar dikendalikan oleh sebuah isyarat PWM dengan periode

berulang T ( = , f adalah frekuensi switching) dan siklus aktif (duty cycle) konduksi k . Energidisampaikan dari sumber energi ke beban melalui untai pemompa selama periode-switching kT .

Energi dihalangi/ diblokir selama perioda switching -off (1 - k )T. Oleh karena itu, energi dari sumberke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.

1.4.5 Konverter AC/ACSemua konverter AC/AC adalah untai switching . Gambar 1.25 memperlihatkan tiga (regulasiamplitudo fase tunggal, fase-tunggal dan tiga-fase) untai konverter AC/AC. Semua untai konverter AC/AC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber AC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap converter AC/AC memiliki beberapa saklar ( switch). Saklar

dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode berulang T ( = , dimana f adalah frekuensiswitching untuk penyearah fasa tunggal) dan faktor modulasi. Energi disampaikan dari sumber energiAC ke beban selama periode-switching. Energi diblokir selama periode switching -off . Oleh karena itu,energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.


19/23

19

Figure 1.23 DC/AC PWM inverters: (a) single-phase, (b) three-phase and (c) three-levelthree-phase.


20/23

20

Gambar 1.24 DC/DC converters: (a) buck converter, (b) boost converter,(c) buck – boost converter, (d) positive output Luo-converter,(e) negative output Luo-converter, (f) positive output super-liftLuo-converter and (g) negative output super-lift Luo-converter.

Gambar 1.25 Konverter AC/AC. (a) Regulasi amplitude fasa-tunggal.


21/23

21

Gambar 1.25 (contd.) (b) Konverter cyclo AC/AC fasa tunggal dan(c) konverter matrix tiga-fasa AC/AC

.

1.5 KEKURANGAN DARI ELEKTRONIKA DAYA ANALOG DAN KONVERSITEKNOLOGI

Elektronika daya analog menggunakan parameter tradisional: faktor daya ( PF ), efisiensi (), distorsiharmonik total (THD) dan faktor riak ( RF ) untuk menggambarkan karakteristik sistem daya atausistem drive. Hal ini berhasil diterapkan selama lebih dari satu abad. Sayangnya, semua faktor initidak tersedia untuk digunakan dalam menggambarkan karakteristik untai switching : konverter daya

DC/DC dan untai switching frekuensi-tinggi lainnya. Konverter daya DC/DC biasanya telah dilengkapi dengan sumber penyedia daya DC, untai

pompa, filter dan beban. Beban dapat dari jenis apa pun, tetapi kebanyakan investigasi prihatinterhadap beban resistif R dan EMF balik atau baterai. Ini berarti bahwa tegangan input dan outputhampir murni tegangan DC dengan riak sangat kecil, misalnya rasio variasi tegangan output biasanya

kurang dari 1%. Dalam kasus ini, RF yang berkaitan kurang dari 0.001, yang selalu diabaikan.

Ketika semua daya adalah daya nyata tanpa daya reaktif , kita tidak bisa menggunakan faktordaya ( PF ) untuk menggambarkan proses transfer-energi.


22/23

22

Karena hanya komponen DC yang ada tanpa harmonik pada tegangan input dan output, THD tidak tersedia untuk digunakan dalam menggambarkan proses transfer-nergi dan distorsi ragamgelombang.

Untuk menyederhanakan penelitian dan analisis, kita biasanya mengasumsikan kondisi tanparerugi daya selama proses transfer-daya untuk menyelidiki daya konverter DC/DC. Akibatnya,

efisiensi

= 1 atau 100% untuk sebagian besar penyelidikan deskripsi daya DC/DC. Jika tidak,

efisiensi () harus dipertimbangkan untuk investigasi khusus mengenai kerugian daya. Pada kondisi umum, keempat faktor tidak tersedia untuk diterapkan dalam analisis konverterdaya DC/DC. Situasi ini membuat para disainer konverter daya DC/DC kebingungan untuk waktu

yang sangat lama. Orang ingin menemukan parameter baru yang lain untuk menggambarkankarakteristik daya konverter DC/DC.

Tidak ada teori yang benar dan parameter yang sesuai untuk digunakan untuk semua untaiswitching sampai 2004. Dr. Fang Lin Luo dan Dr. Hong Ye pertama menciptakan teori dan parameter baru untuk menggambarkan karakteristik dari semua untai switching pada tahun 2004.

Penyimpanan energi dalam konverter daya DC/DC telah diperhatikan lama. Sayangnya, tidakada konsep yang jelas untuk menggambarkan fenomena dan mengungkapkan hubungan antara energiyang tersimpan dan karakteristik konverter daya DC/DC. Kami secara teoritis telah mendefinisikan

konsep baru, faktor energi ( EF ), dan meneliti hubungan antara EF dan pemodelan matematikakonverter daya DC/DC. EF adalah sebuah konsep baru dalam elektronika daya dan teknologikonversi, yang benar-benar berbeda dari konsep tradisional seperti faktor daya ( PF ), efisiensi dayatransfer (η), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak ( RF ). EF dan parameter subsekuensiallainnya dapat menggambarkan stabilitas sistem, respon referensi dan pemulihan gangguan(interference recovery). Investigasi ini sangat membantu untuk meramalkan karakteristik desainsistem dan konverter DC/DC.

1.6 APLIKASI DIVAIS SEMIKONDUKTOR DAYA PADA ELEKTRONIKA DAYA

DIGITALPeralatan switching frekuensi tinggi dapat mengkonversi daya tinggi, dan kepadatan dayanyasebanding dengan frekuensi penerapan. Misalnya, volume transformator 1-kW yang bekerja pada 50

Hz memiliki ukuran 4 inchi × 3 inchi 2,5 inchi. = 30 inchi 3. Volume dari 2,2 kW flat -transformer pada 50 kHz memiliki ukuran 1,5 inchi × 0,3 inchi × 0,2 inchi = 0,09 inchi

3. Perbedaan yang terjadi

sekitar 1000 kali. Untuk diperlukan oleh aplikasi industri, perangkat semikonduktor daya diterapkan dalam

elektronika daya digital telah meningkat dalam beberapa dekade terakhir. Kemampuan daya, tegangandan arus meningkat berkali-kali, frekuensi yang diterapkan sangat diperbesar. Sebagai contoh,frekuensi kerja dari IGBT meningkat dari 50 sampai menjadi 200 kHz, dan frekuensi kerja dariMOSFET meningkat dari 5 sampai menjadi 20 MHz.

Perangkat semikonduktor daya yang biasanya diterapkan dalam aplikasi industri adalah sebagai

berikut:

• diodes;

• SCRs (thyristors);

• GTOs (gate turn-off thyristors);

• BTs (power bipolar transistors);

• IGBTs (insulated gate bipolar transistors);

• MOSFETs (power MOS field effected transistors);

• MSCs (MOS controlled thyristors).

Semua divais kecuali dioda bekerja dalam keadaan switching ( switching state). Oleh karena itu,

sirkuit yang terdiri dari divais seperti di atas disebut untai switching dan bekerja dalam keadaan

diskrit (discrete state).


23/23

23

BACA LEBIH LANJUT

1. Luo F. L. andYe H., Advanced DC/DC Converters, CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, USA,2004. ISBN: 0-8493-1956-0.

2. Luo F. L., Ye H. and Rashid M. H., DC/DC conversion techniques and nine series luoconverters.

In Power Electronics Handbook , Rashid M. H. and Luo F. L. et al. (Eds), Academic Press, SanDiego, USA, 2001, pp. 335 – 406.3. Mohan N., Undeland T. M. and RobbinsW. P., Power Electronics: Converters, Applications and

Design, 3rd edn., JohnWiley & Sons, NewYork, USA, 2003.4. Rashid, M. H., Power Electronics: Circuits, Devices and Applications, 2nd edn., Prentice- Hall,

USA, 1993.5. Nilsson J. W. and Riedel S. A., Electric Circuits, 5th edn. Addison-Wesley Publishing Company,

Inc., NewYork, USA, 1996.6. Irwin J. D. andWu C. H., Basic Engineering Circuit Analysis, 6th edn., JohnWilley & Sons, Inc.,

NewYork, USA, 1999.7. Carlson A. B., Circuits, Brooks/Cole Thomson Learning, NewYork, USA, 2000.

8. Johnson D. E., Hilburn J. L., Johnson J. R. and Scott P. D., Basic Electric Circuit Analysis, 5th

edn., JohnWilley & Sons, Inc. NewYork, USA, 1999.9. Grainger J. J. and Stevenson Jr. W. D., Power System Analysis, McGraw-Hill International

Editions, NewYork, USA, 1994.10. Machowski J., Bialek J. W. and Bumby J. R., Power System Dynamics and Stability, John Wiley

& Sons, NewYork, USA, 1997.11. Luo F. L. and Ye H., Energy Factor and Mathematical Modelling for Power DC/DC Converters,

IEE-Proceedings on EPA, vol. 152, No. 2, 2005, pp. 233 – 248.12. Luo F. L. and Ye H., Mathematical Modeling for Power DC/DC Converters, Proceedings of the

IEEE International Conference POWERCON’2004, Singapore, 21– 24/11/2004, pp. 323 – 328.13. Padiyar K. R., Power System Dynamics, Stability and Control , John Wiley & Sons, New York,

USA, 1996.

Elektronika Daya Lanjut -1.pdf

Documents

Transcript of Elektronika Daya Lanjut -1.pdf