Elektronika Daya Lanjut - PDF

Preview

Summary

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. Intoduksi Elektronika daya dan teknologi konversi adalah profesi menarik dan menantang bagi siapa saja yang memiliki minat yang...

Description

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.

Intoduksi Elektronika 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 listrik meliputi 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. Pengetahuan traditional tidak sepenuhnya mempertimbangkan proses pumping-filtering, proses resonansi dan operasi tegangan-angkat (voltage-lift). Oleh karena itu, pengetahuan yang ada tidak dapat dengan baik menggambarkan karakteristik switching sirkuit listrik yang meliputi konverter daya DC/DC. Untuk mengungkapkan 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 kinetik sebagai "usaha", dan yang tersimpan atau energi statik sebagai "energi" potensial. Usaha dan energi dapat ditransfer menjadi panas, yang diukur dalam "kalori". Berikut adalah hubungan (hukum JouleLenz): 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 second atau 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 1

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 atau konverter DC/DC. Penyedia Daya AC Penyedia daya AC memiliki parameter: tegangan (amplitudo, nilai akar-rerata-kuadrat (rootmean-square, rms atau RMS) dan nilai rerata), frekuensi (f atau ω), sudut fase ( atau ) dan distorsi harmonik total (THD). Penyedia daya AC dapat menjadi sebuah generator AC, transformator atau inverter DC/ AC. Tegangan AC dapat disajikan sebagai berikut: =√

=

(1.1)

dengan v (t) adalah ukuran tegangan AC sesaat; Vp, nilai puncak tegangan; Vrms, nilai rms dari tegangan; ω, frekuensi sudut, ω = 2πf ; f, frekuensi penyedia daya, misalnya f = 50 Hz dan , sudut tunda fase. 1.1.3 Beban Penyedia daya sumber mentransfer energi ke beban. Jika karakteristik beban dapat digambarkan menggunakan persamaan diferensial linier, kita sebut beban sebagai beban linier. Jika tidak, kita sebut beban sebagai beban non-linier (yaitu dioda, relay dan elemen-hysteresis yang tidak dapat 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 ini memenuhi persamaan diferensial linier. Jika arus untai I seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1, dari hukum Ohm kita memiliki:

=

+

+

VR = RI

(1.2)

VL = L

(1.3)

VC = 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 komponen ini memenuhi operasi persamaan diferensial. EMF balik dari motor DC adalah EMF balik DC dengan tegangan 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.

2

EMF balik dari motor AC adalah EMF balik AC dengan tegangan AC yang sebanding dengan fluks 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: =

+

=

+

dengan =

=| |∠

(1.8)

| |=√

(1.9)

=

(1.10)

dimana adalah sudut fase konjugasi. Bagian nyata dari impedans Z didefinisikan sebagai resistensi R, 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 menyimpan energi dan pergeseran sudut fase. Tidak ada daya yang dikonsumsi pada reaktansi, yang menghasilkan daya 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 disuplai oleh tegangan sinusoidal V, dan ditunjukkan pada Gambar 1.2. Impedans Z yang diperoleh adalah: = dengan | |=√

+

=

+

=| |∠

dan

(1.12)

=

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. 3

1.1.5 Daya Ada berbagai daya seperti daya nyata (apparent power) atau daya yang kompleks, S, daya riil (atau real 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)

4

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

1.2 PARAMETER TRADITIONAL Parameter tradisional yang digunakan dalam elektronika daya adalah faktor daya (PF), efisiensi transfer daya ( ), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). Menggunakan parameter ini telah berhasil menggambarkan karakteristik (pembangkitan, transmisi, distribusi, proteksi dan analisis harmonik) 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) masukan (input) : =

terhadap daya

(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 daya nyata.

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 dengan komponen fundamental . Distorsi harmonik total (THD) didefinisikan oleh perbandingan jumlah semua harmonik orde lebih tinggi terhadap harmonik mendasar :

v 

=

dimana semua

n2

2 n

V1

(1.19)

( = 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 harmonik ordo-tinggi. Harmonik ini membuat variasi pada gelombang DC (riak). Karena nilai sesaat secara periodik berulang dalam frekuensi dasar (atau = ), spektrum yang sesuai dalam domain frekuensi 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 terhadap komponen DC pada Vdc:

5

v 

n 1

=

2 n

(1.20)

Vdc

(n = 1, 2, 3,…∞) berhubungan nilai rms-nya.

dimana semua

1.2.5 Contoh Aplikasi Untuk 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 ditunjukkan pada Gambar 1.6. Arus I diperoleh dengan ekspresi perhitungan:

Tegangan output

yang

=

(1.21)

=

(1.22)

adalah:

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 menurunkan Persamaan (1.23): =

=0

(1.25)

=0 maka,

(1.26) Ketika

, diperoleh output daya maksimum: =

(1.27) 6

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%, itu memerlukan beban R dengan nilai tak berhingga (jika resistansi internal tidak bisa sama dengan nol). Hal ini menyebabkan daya keluaran yang sama dengan nol. Hubungan yang menarik tercantum di 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 gelombang sinusoidal dengan tegangan 16V (tegangan rms) dan frekuensi f = 50 Hz: V

= 16√

impedans internal adalah: =

(1.29)

= 0.2 

(1.30)

impedans beban adalah: =1+

3 +

=1+

(1.31)

= 1.3724∠

= 1.2 +



= 1.524∠

(1.32)

Arusnya adalah: √

=

=

Tegangan output melalui untai R–L adalah: =

=

Apparent power S pada beban adalah: =

Daya output riil

A

√

=

A

=

VA

(1.33)

(1.34)

(1.35)

pada beban adalah: =

=

=

=

W

(1.36)

Gambar 1.7 Sebuah rangkaian R-L disuplai oleh sumber AC dengan resistans internal. 7

Daya input riil

adalah: =

=

=

W

(1.37)

maka, faktor daya PF pada beban adalah: =

Hubungan daya reaktif

= cos

=

=

(lagging)

(1.38)

adalah: =

maka, efisiensi transfer-daya

=

VAR

(1.39)

adalah: =

Cara lain untuk menghitung efisiensi

=

=

(1.40)

adalah:

=

=

=

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

=



(1.41)

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-

8

L dengan R = 240  dan L = 50 mH. Tegangan fasa sumber mempunyai amplitudo 16V (nilai rms nya 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 yang sesuai 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,

 vn n2 

=

V1

2

√

=

(1.47)

Kita mengukur tegangan output DC pada Gambar 1.11. Dapat dilihat bahwa tegangan DC memiliki riak. Setelah analisis FFT, kita mendapatkan spektrum yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 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. 9

Table 1.1 The harmonic peak voltages of the distorted the input line–line voltage Order no. Volts

Fundamental 27.62

5 0.737

7 0.464

11 0.566

13 0.422

17 0.426

19 0.34

Order no. Volts

23 0.297

25 0.245

29 0.196

31 0.164

35 0.143

37 0.119

THD 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 pada Tabel 1.2. Menggunakan rumus (1.20) untuk menghitung RF, kita memiliki,

v o-n  n 1 

=

2

Vo-dc

=

√

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

= 5.24 %

√

(1.48)

) diperoleh,

=

(1.49)

Table 1.2 The harmonic peak voltages of the DC output voltage with ripple Order no. Volts

DC 26.15

6 1.841

12 0.500

18 0.212

24 0.156

30 0.151

36 0.134

RF 5.24%

10

Table 1.3 The harmonic peak voltages of the input phase current Order no. Amperes Order no. Amperes

Fundamental 0.12024 23 2.3524e–3

5 2.7001e–2 25 1.8161e–3

7 1.2176e–2 29 1.2234e–3

11 9.3972e–3 31 9.7928e–4

13 5.9472e–3 35 7.3822e–4

17 4.5805e–3 37 5.9850e–4

19 3.2942e–3 Total PF 0.959

Table 1.4 The harmonic peak voltages of the output DC current Order no. Amperes

DC (0) 0.109

6 7.14e–3

12 1.64e–3

18 5.72e–4

24 3.49e–4

30 2.85e–4

36 2.19e–4

η 0.993

Nilai puncak arus fasa input dan nilai puncak arus harmonik orde-lebih tinggi tercantum dalam Tabel 1.3. =

=

√

=

 2  in = n0

A

A

Faktor daya total =

=

=

Rerata arus beban output DC dan nilai puncak arus harmonik ordo-lebih tinggi tercantum pada Tabel 1.4.  2 V =  vn = n0 =

 2  in = n0

A

Effisiensi ( ) 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 ini cukup untuk menggambarkan karakteristik sistem penyedia daya.

1.3 OPERASI MULTI-KUADRAN DAN CHOPPER Operasi 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 biasanya menyebutnya operasi motoring maju (forward motoring operation) atau operasi "Kuadran I". Tegangan jangkar motor masih positif dan arus jangkar adalah negatif selama proses pengereman maju. 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".

11

Mengacu pada keadaan operasi motor DC, kita dapa...