atau energi, E: = ; = 1 joule = 1 watt 1 second

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 θ, 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: =

+

=

+

=| |∠

(1.8)

dengan = | |=√

( (

=

)

(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: =

+

=

+

=| |∠

(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. 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: = 16√

V

(1.29)

impedans internal adalah: =

= 0.2 

(1.30)

impedans beban adalah: =1+

3 +

=1+

= 1.3724∠

= 1.2 +

(1.31) 

= 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: =

Daya output riil

=

=

VA

(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 2

=

V1

√

=

(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 dapat mendefinisikan operasi multi-kuadran sebagai 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 DC tetap menjadi berbagai tegangan lainnya. Chopper yang sesuai biasanya disebut sebagai operasi kuadran 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 pada Gambar 1.14 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 1.14 (b). Saklar S dapat 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; switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).

(a)

adalah waktu

(b)

Gambar 1.14 Chopper kuadran-pertama. (a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan. 12

1.3.2 Chopper Kuadran-Kedua Chopper kuadran-kedua juga disebut chopper tipe-"B" dan diagram untainya diperlihatkan pada Gambar 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; switch-off ( =T) dan k adalah duty cycle konduksi ( = ).

(a)

adalah waktu

(b)

Gambar 1.15 Chopper kuadran-kedua. (a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.

1.3.3 Chopper Kuadran-Ketiga Chopper 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. Tegangan output (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus: = Dimana

=

(1.53)

adalah waktu switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( =

(a)

).

(b)

Gambar 1.16 Chopper kuadran-ketiga. (a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan. 13

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

(a)

(b)

Gambar 1.17 Chopper kuadran-keempat. (a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan. Tegangan output (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus: = dimana

adalah waktu switch-off (

=

(1.54)

=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 . Asumsikan kondisi > , induktor L adalah komponen yang ideal. Selama Kuadran operasi I, S1 dan D2 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: ={

Dimana k adalah duty cycle konduksi ( =

(1.55)

).

Gambar 1.18 Chopper kuadran-kedua-yang pertama.

14

1.3.6 Chopper Third–Fourth-Quadrant Chopper kuadran keempat-yang ketiga diperlihatkan pada Gambar 1.19. Operasi dual-kuadran biasanya dibutuhkan dalam sistem dengan dua sumber tegangan dan . Kedua polaritas tegangan didefinisikan 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 Quadrant IV, S2 dan D1 bekerja, dan S1 dan D2 menganggur. Hubungan antara dua sumber tegangan dapat dihitung dengan rumus: ={

Dimana k adalah duty cycle konduksi ( =

(1.56)

).

Gambar 1.19 Chopper kuadran-keempat-yang ketiga.

1.3.7 Chopper Empat-Kuadran Chopper empat-kuadran diperlihatkan pada Gambar 1.20. Tegangan input positif, tegangan output dapat 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 1-5 Status saklar dan dioda untuk operasi empat-kuadran Saklar atau dioda S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 D4 Output

Kuadran I Kerja Nganggur Nganggur Kerja Nganggur Nganggur ON Nganggur ,

Kuadran II Nganggur Kerja Kerja Nganggur Nganggur Nganggur Nganggur ON ,

Kuadran III Nganggur Kerja Kerja Nganggur ON Nganggur Nganggur Nganggur ,

Kuadran IV Kerja Nganggur Nganggur Kerja Nganggur ON Nganggur Nganggur ,

15

1.4 ELEKTRONIKA DAYA DIGITAL: UNTAI POMPA DAN TEKNOLOGI KONVERSI Selain chopper ada lebih banyak untai switching diterapkan dalam aplikasi industri. Untai switching ini bekerja pada keadaan waktu-diskrit. Sejak untai switching frekuensi tinggi dapat mentransfer energi 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 secara kontinyu. 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 digital daripada 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 umum untuk mengkonversi energi dari sumber energi ke komponen penyimpan-energi dalam keadaan diskrit. 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. Oleh karena itu, energi yang ditransfer dalam periode adalah nilai tertentu yang dapat disebut kuantum energi. 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 konverter DC/DC. Semua untai pemompa adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber ke beban atau komponen penyimpanan-energi tertentu dalam keadaan diskrit. Setiap untai pemompa memiliki setidaknya 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 16

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

1.4.2 Penyearah (Rectifiers) AC/DC Semua penyearah terkendali AC/DC adalah untai switching. Gambar 1.22 memperlihatkan beberapa untai penyearah (dinamakan penyearah terkendali setengah-gelombang satu-fasa, gelombang-penuh fasa-tunggal, setengah-gelombang tiga-fasa, dan setengah-gelombang tiga-fasa), yang digunakan dalam kaitan dengan konverter AC/DC . Semua untai penyearah AC/DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber AC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap penyearah AC/DC yang dikendalikan memiliki setidaknya satu saklar (switch). Sebagai contoh, sebuah thyristor terkendali setengah gelombang (penyearah terkendali 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 disampaikan dari 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/AC Semua inverter DC/AC adalah untai switching. Gambar 1.23 menunjukkan tiga (fase tunggal, tiga fase, tiga-fasa tiga-tingkat) untai inverter PWM DC/AC, yang digunakan dalam inverter DC/AC yang sesuai. Semua untai inverter PWM DC/AC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber 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 frekuensi switching 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 17

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

1.4.4 Konverter DC/DC Semua 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 positif dan konverter Luo super-lift keluaran negatif) untai konverter DC/DC. Semua untai konverter DC /DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber DC 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. Energi disampaikan 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 sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.

1.4.5 Konverter AC/AC Semua konverter AC/AC adalah untai switching. Gambar 1.25 memperlihatkan tiga (regulasi amplitudo 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 frekuensi switching untuk penyearah fasa tunggal) dan faktor modulasi. Energi disampaikan dari sumber energi AC ke beban selama periode-switching. Energi diblokir selama periode switching-off. Oleh karena itu, energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.

18

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

19

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-lift Luo-converter and (g) negative output super-lift Luo-converter.

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

20

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 KONVERSI TEKNOLOGI Elektronika daya analog menggunakan parameter tradisional: faktor daya (PF), efisiensi ( ), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF) untuk menggambarkan karakteristik sistem daya atau sistem drive. Hal ini berhasil diterapkan selama lebih dari satu abad. Sayangnya, semua faktor ini tidak 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 prihatin terhadap beban resistif R dan EMF balik atau baterai. Ini berarti bahwa tegangan input dan output hampir 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 faktor daya (PF) untuk menggambarkan proses transfer-energi. 21

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 ragam gelombang. Untuk menyederhanakan penelitian dan analisis, kita biasanya mengasumsikan kondisi tanpa rerugi 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 konverter daya 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 menggambarkan karakteristik daya konverter DC/DC. Tidak ada teori yang benar dan parameter yang sesuai untuk digunakan untuk semua untai switching 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, tidak ada konsep yang jelas untuk menggambarkan fenomena dan mengungkapkan hubungan antara energi yang tersimpan dan karakteristik konverter daya DC/DC. Kami secara teoritis telah mendefinisikan konsep baru, faktor energi (EF), dan meneliti hubungan antara EF dan pemodelan matematika konverter daya DC/DC. EF adalah sebuah konsep baru dalam elektronika daya dan teknologi konversi, yang benar-benar berbeda dari konsep tradisional seperti faktor daya (PF), efisiensi daya transfer (η), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). EF dan parameter subsekuensial lainnya dapat menggambarkan stabilitas sistem, respon referensi dan pemulihan gangguan (interference recovery). Investigasi ini sangat membantu untuk meramalkan karakteristik desain sistem dan konverter DC/DC.

1.6 APLIKASI DIVAIS SEMIKONDUKTOR DAYA PADA ELEKTRONIKA DAYA DIGITAL Peralatan switching frekuensi tinggi dapat mengkonversi daya tinggi, dan kepadatan dayanya sebanding dengan frekuensi penerapan. Misalnya, volume transformator 1-kW yang bekerja pada 50 Hz memiliki ukuran 4 inchi × 3 inchi 2,5 inchi. = 30 inchi3. Volume dari 2,2 kW flat-transformer pada 50 kHz memiliki ukuran 1,5 inchi × 0,3 inchi × 0,2 inchi = 0,09 inchi3. 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, tegangan dan 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 dari MOSFET 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).

22

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, San Diego, 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.

23