H4,t ()t...it.A'()..1,ts99 4$ l,n,;,' i't'!t|
69
E=/
Perrgendalian inverterresonanDC PekikArgo Dahono Lab KonversiEnergi Elektik, Jurusan TeknikElektro lTB, Jl. Ganesa 10, Bandung Masuk;Januari1999;revisimasuk:Juni '19991 diterima:Agustus1999
Sari Pada rnakalah ui, dibahas tcknik keudali inverter resonan sisi DC jenis tegangan dan jenis arus. Ditunjukkan dalam makalah ini bahwa tckruk kt:nrlali yang telah dikernturngkan untrik inengcndirlikiur irrvcrter resonan jerris tegangrm bisa diterapkan untuk jc;.is arus. Pudainverter resonanjenis tegangan,arus mula di indullor resonanhams dikcndalikan mcngcndalikairinvcrlrr.-r'resc,'iilr sedcrnikiai rupa schiuggatrisr tlrjaridn baliia tegar,gal di kapasitorresonanakan kembali ke nilai nol di akhir perioda resonansidan menrpr.uryainilai puncak yarg rnilimurn. Sebalilarya, pada inverter resouiuljenis arus, tegangan mula di kapasitor resonan harus dilicntialikan sedemikian rupa sehurgga bisa d4amin bahwa arus di induklor resonan akan kembali ke nilai nol di akhir priode resonarsi dan tnernpuryai nilai puncak yang rninirnum. Kesahihan konsep yang diusullian ini diuji clengan membandingkamya dengar hasil percobaaan Kata kunci ; inverTerresonat\ pengendalian, sof swilclrittg,jenis tegangan,jetiis arus.
Abstratt A control methodfor rcsonantDC link invcrters andcuncnt-typeresonantDC linli inverters.It showstlrat the controlrnethod This paperpresentsa coutrolmethodfor voltage-type thathasbeendevelopedfor voltage-lipcresonanif)C invertcrscanalsobc appliedto the currcnltypeorles.ln voltage-typeresonant DC lirili iuvefters,the initial curent of resonant'inductor is controllcrliu .';ucha way to ensurethat theresonantcapacitorvoltagewill crlcle.()n the otlicr"hand" rehrrnto zeroat ihe endofeach rcEonant in current-ty'pe inverters,the initial voltageofresonantcapacitor is controlltrJin sucha way so that the resonantirductorcurrentwill r€tun to zeroat the endof eachresonantcycle. Validity of the proposedcoutrolrnethodis veriliedby experinrental results. Keywords:resorranlinverter,controlmetlwl, softswitching,voUage-type, cuftent-type.
I
Pendahuluan
Frekuensiswitching yang tinggi urerupilluutsalah satu krurci uutuk ureningkatkan kinerja inverter. Salah satu teknik urrtuk rnernpertinggi frekuensi sttitching tanpa mengorbankancfisiensi adalah dengan rncnggunakan suatuteknik yang disebut resonanDC [.21. Padateknik ini. suatu rangkaiim rss(r{riulLC disisipkan di antara suluber DC dan tenninal nnsukan invertcr. Sccara uurrun. inverter jenis resouar DC ini bisa kila klasifikasikan sebagai irrverter resonan DC jenis tegangandan jenis arus (dalam nrjukan kadang-kadang juga disebut sebagai.ienis pzralel dan jenis seri). Pada invefler resonal jerus tegangan. saklar scnrikondulctor inverter dikendalikur scdernikian rupa seiringgategiugan kapasitor resonan (yang sarnadengan teganganmasukan inverter atau tegangan pada saklar inverter) berfluktuasi dari nol sampai nuksimuu dengan frekuensi yang sama dengan frckuensi resonallsi LC. Pada invertcr resonan DC jenis ams, saklar sendkonduktor invcrter
dikendalikan sedemikian rupa sehingga arus induktor resonan(yang sarna dengan arus masukan inverter atau arus pada saklar invertcr) berfluktuasi dari nol sarnpai rnaksimum dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi.Saattcgangan masukan inverter atau arus masukaninverter sama dcngan nol adalah s:tatyang ideal bagi saklar invefter untuk membuka dan menutup. Jika saklar inverter dibuka dan ditutup saat teganganatau arusnya nol, maka rugi-rugi sv,itching bisa dihindari (sering disebut sebagai soft s:witching) dan frekuensi switching inverter bisa dinaikkan sampai batas kecepatan Dibandingkan maksimumnya. dengan inverter konvcnsional yang saklar inverternya dibuka dan ditutup pada tegargan dan/atau arus penuh (sering disebut sebagai hard switching), frekucnsi switching soft switched inverter bisa naik lebih dari sepuluh kali [3-5]. Bcrbcda dengan inverter resonan konvensional atau disebut inverler resorvn ac, inverter rcsonan DC bisa diinlplementasikan dengan menggunakan saklar semikondullor konvensional seperti yang dipakai dalam
PROC.rTB, VOL.31,NO.2.1999
70
inverter hard switched, tidak menterlukan saklar seufkonduklor dua arah yang kornpleks dan mahal seperti yang digumkan pada inverter resoniurac. Hal ini dimungkinkan kareru walaupun berosilasi, teganganatau arus sisi DC dari inverter resonan DC n3asih bersifat searah(DC), bukar bolak-balik (ac) sepefti pada irtvefler resonanac.
tegangar konvensional.Perbedaannyaadalah adanya rangkaian resorum kecil yangdisisipkandi antarasumber DC dan tennirralmasukaninverter. SumberDC bisa benrpabaterai lrulupunlusil pcuyearahansurnbcrac dengan menggunakanpenyearah.Untuk analisis dl bagianini, beberapa asumsiberikutdigunakan:
Pada inverter resouan sisi DC, osilasi di rangkaian resonansiharus dikendalikan sedetnikian rupa sehingga teganganatau arus unsukan inverter selalu kernbali ke nilai nolnya di setiap akhir perioda resonansi. Untuk rnenjarnin bahwa tegangan atau arus tnasukan inverter kembali ke nilai nolnya, energi arval dengannilai yang cukup harus tersiurpar di rangkaiart rcsonatr pada awal perioda resonansi.Energi awal ini tidak boleh terlalu kecil dalr tidak boleh terlalu bcsar. Jika terlalu'kecil, teganganalau arus rnasukanittverter tidak akan kentbali kc nilai nol pada akhir perioda resonansi.Jika energi awalnya terlalu besar, nilai puncak tegangan atau arus masukal invcrtcr resonan akan terlalu besar. Oleh sebab itu, encrgi arval di rangkaianresonanlnrus diken&tlikar sedemiki:urrupt sehingganilainya tidak tcrlalu kecil da-rt tidak terlalu besar.
b Induktansibeban cukup besar sehinggakonstanta waktu bebanjauh lebih besardibandingkandengan periodaresonansirangkaianresonan.Denganasumsi ini, arus masukan inverter selama satu perioda resonansi bisadianggaptetap.
Walaupun hubungan dual utttra inverter resonan DC jcnis-tegangaldanjenis arus telah disinggutg di nSrikan [2], rnasih banyak lul yang belurn jelas, yaitu santpai seberapajauh kedua jenis inverter ini ntempunyai Irubung:ur dual. Akbalnya, inverter resonan DC jenis tegangan da-njenis arus dianggap sebagai inverter yang berbeda sana sekali dan pengernbangannyadilakukan dengan cara berbeda. Ti&k jelasnya hubungan dual antara kedua jeuis inverler ini adalah karena ratgkaian invertcr tiga-fasa urempunyai sifat nonplanar. A'kan tetapi, telah ditutjukkan olelt penulis t6l baltwa rangkaianekivalcn sisi ac dan rangknian ekivalen sisi DC dari inverter tiga-fasa meutpunyai sifat p/arar. Oleh scbabitu, teoi dual bisa diterapkanke invener tiga-fasa. Dalam makalah ini, dibalms cara Inengend.rlikaninve(er resouiul DC jenis tegangan. Dengan menerapkan huburgan dual antara inverter jenis tegangan dan jenis arus, ditturjukkan bahwa teknik kendali yang telah dikenrbangkan untuk mellgendalikan inverter resonan DC jenis tegzurgan bisa diterapkanrrntuk rttengendalikan inverter resonanDC jenis arus. Konsep yang diusulkan kesahiharurya dcngan nrenggrurakan hasil diuji percobaan.
2
Pengendalian tegangan
inverter
resonan DC
jenis
Pada bagiiur ini dibahas lebih dulu teknik kendali invcrter resorliur DC jenis tegangan yang skernanya diperlihatkan di Garnbar l. Saklar invcrter digarnbarkar dcngan IGBT dan dioda yang tcrhuburg antiparalel. Terlihat bahwa ralgkaian dasar inverter resonan DC jcnis tegangal iui sangat tnirip dengiur inverter jenis
a Rugi-rugidayadi rangkaianresonansibisadiabaikan.
Dengandua asumsidi atas,rangkaianekivalensisi DC dari inverter di GarnbarI bisa digambarkanseperti terlilratdi Gambar2. PadaGambar2, arus^1,rnewaliili arus masukaninverter selarnasatu periode resonalsi. Trarsistor.S"mewakiliSansistorinverter.
sJ vc' S2
Gambar1 SkemainverterresonanDC jenistegangan lr, +
Gambar2 Rangkaian ekivalen sisiDC dariinverter resonan DCjelistegangan mula-mulatransistorS, harusditutup Dalzunoperasinya, sehinggaarusdi induktor akan naik sampainilai yang diinginkan. t,angkah awal ini sangat pe-ntinguntuk menjaminbahwa tegangankapasitordr akhir perioda resonansi kembali ke nilai nol. Dalam prakteh penutupantransistor,! ini diimplementasikandengan
PltO(:.1T8,1101.. 31,N.J.2,t999
7l
pcuutupansekaligustransistor atas dan bawah dari salalr satu lengan inverter (misalnya ,S, dan 52 di Gambar l). Rcsonarsidiurulai saat uansistor 5, dibuka. Jika arus rnula di induktor rcsorr:lr dibcri notasi I,o dut karena tegangall urula di kapasitur resonan a&rlah uol, rnaka tegargan kapasitor dau arus induktor selatna resonansi adalah:
vc, = E,)(l - cos
(l)
i L ,= ! , 4 U , u - ' l r l c o s u t + E : s i n u l Z
(2)
dengar a=L/",lTe
adalah frekuensi sudut
resonansi dan Z = ,ft-t C adalah ik rangkuiair karaktcrist resonausi.
irnpedansi
(l) ureiiunjukLarbalrrvalika aus rnula di Persarnaan ittduktordikcn&rlikmscdenrikian rupasehingga I*= I, nrakategangalkapasilorselanuresoruursi adalah: ^ t, \ vt', = Ld (l - cos to/,,
(3)
Pada kondisi ini, tegangan kapasitor resonal selalu kembali ke nilai nol di akhir perioda resonusi dan metnpunl'aiirilai uraksinrum 2Ea Jika arus mula induktor resorum lebih besar dari arus masukan inverter, nilai purcak tegangan kapasitor resonanakan lebih besar dari dua kali tegangansumber. Tegaugal prurcak yang terlalu besar ini akan rneurbahayak;uruiinsislor inverter Jika anrs rnula induktor reson:in lebih kecil daripada arus rnasukan inverter, dioda zurtiparalelyang terhubung di transistor5, akan konduksi sanrpai arus rnula induktor resonan suln dengan arus ru.lsukan invcrtcr. Dengan kata lain, arus rnula sebesararus nrasukan inverter rnerupakankondisi yangoptinrunr. Untuk bisa urengendalikm arus rnula induktor resonarl arus masukan inverter di setiap perioda resonansiharus bisa diperkirakal Dalan praktck, perkiraan arus nmsukan inverter dilakukan dcngan menggrurakan persiunarnberikut:
I,-si,iu+J;i,+,r;,1_ deugan i,, r", d:ur i.
(1)
masing-masing adalah hasil
pengrkuran anrs di fasa a, r,, dan w, sedmgkan S,l, SJ, dan J]
masing-masingadalah fungsi srulrcfril,ginverter
fasa u, v, dan w. Fungsr sttilching ini, rnisalnya S,f , mempunyai nilai sntu (l) jika aansistor Sj menerirna sinyal ON dan urernpunyainilai nol (0) jika transistor52 yang nrenerinrasinyal ON. Fungsi sruitchingurtuk fasa
tr, v, dan w ditennrkan berdasarkan sinyal kcndali transistor inverter. Unhrk inverter rcsonan DC jenis tegangar\ fungsi swi/chirg tersebut ditentukan oleh pengendaliarus keluarannya Ada bernurcam cara untuk rnengcndalikanarus keluaral invertci, tet^i{piyang paling sederluna dan yang paling populer adalah pcngendalian arus denganalgoritma sebagaiberikut:
rFi,,
adalah nilai sesaat relerensi arus fasa a.
Fungsi switching fasa v dan w ditentukal dengal cara yang saru. Algoritma pengendalian arus semacam ini sering discbut scbagai discrete-pulse current-regulator. Algoritma pengendalian arus selnacrun ini terbukti mernpunyai kecepatan tanggap yang silnu baiknya scpenipcngcndalianrsjenis hvstere.sis scpcrti yang biasa digrurakandalam inverter hard-swi tchi ng. Secara umunl lzngkah-langkah dasar pengendalian inverterbisa dituliskanscbagaiberikut: a Menr:ntukan fi.rngsi su,i/ching fasa u, v, dan w berdasarkanarus keluaran referensi dan anrs keluaran
sebenarnya. b Menentukan arus rnasukan rnvelter persamaan (4). menggunakan
dengan
c Mernberikanperintah ON ke lransistor ^S/dan ^S2 untuk mengcndalikaniuus di induktor resonan sehingganilainyasarnadcnganarusmasukaninverter b). -vangdidapatdad langtrrah perintahON ke lrarsistoriuvertersesuai d Mernberikan fungsiwllch ing yangdidapatdi langkaha. Pembahasan di atashanyaberlakujika rugi-rugidayadi nngkaianresonansidiabaikan.Dalam praktek,tegangan kapasitorresonantidak akm kembali ke nilai nol jika arus mula di induktor resonan sama dengan arus masukaninverter.Di awal resonansi,induktor resomn juga harusmenyimpanenergiyang cukup besarrlnhrk mengkornpensasi rugi-rugi daya yang terjadi selama resonansi.Oleh sebabitu. arus mula di indulctorhams sedikit lebih besar daripada arus masukan inverter. Pcnganrhrugi-rugi daya pada bcsarnyaarus awal di induklorresoruur dibahasdi rujukan[7-8j. PerludicatatbahwarangkaianirrverterresonanLtCjenis juga bisa dirnodifikasirnenjadiseperti sumbertegangan terlilnt di Gambar3. Dibandingkandengansisterndi Gambarl, arus resonansipada inverter di Gambar3 tidak mengalirmelalui sumberDC sehinggakapasitor elektrolitik yang biasanyaterpasangparalel dengan suurbermenjadibisa diperkecilkapasitansinya. Sa-rnpai saatiru,rinciankinerjainvertersepertiterlihatdi Gambar 3 belum dipublikasikandan sedang menjadi bahan penelitian penulis.
PROC ITB, t/U . -tI. tio 2, 1999
72
-*i , * " 3 1-1-"- i
Ed
r IT
l-^-'""
r__;_r
..:
i,-*iJ
-l- --i
I
'.i2.
I
L-
ht
TI
jt*
Garnbar4 ;)kerirain':i:fterresonanDC jenit arus
R., Lr
G a m b a r3
3
, r n t i . i i i r i ! 1 ri ri , ' r t i ir , .e ; t ei r s s o r r a n [-ri.i.jerir.. tegar,ran
iJerdasarkurdui astunsi di atas, rangkaian ekivaleil sisi DC dari inverter di Gzunbzr4 bisa diperlihatkan seperti terlihatdi Garnbar5. Bisa dibuktikan bahrvaratgkaiau di Ganrbar 5 adalalt drul dari rangkaian di Garnbar 2. 'fegirngau l/, nrcnyatakan tegangan masukan invcttcr yang diasumsikan tetap selama s.rtu perioda resonansi. Saklar S, rnewakili saklar inverter.
resonanDC jenis arus inr",.:rter Pengendaiian
tli Skentaittverlei icsutl-rriDC jenis arus dip.:rlihadiarr Ganrbzu4. Scperu lrahr;a inicrter di Gautbar l, skema iirvcrler di Garnbai 4 nririp denganskenu irtverter jenis arus konvcnsional. Bcdanya, pada invcrter rcsonan DC terdapat sriatu rangkaian LC kccil yang disisipkan di altara suurber DLI dau nnsukan inverter. Walaupiur hubungiur clual antan. inverter resonan DC jenis arus dengar iuverter resonan DC jetils legallgan telalt disinggungdi rujukan [2], pengendalianinvcrter resonan DC jenis arus yang digrunkan biasartyaberbedasatna sekali dengiur pengendalian itrverter resonart jetrrs teg,angiur. Pad:r rujukan [2i diternukan bahwa nilai prl'ncat arus rcsoruulsibisa jauh lebih tinggi dari dua kali arus surrbcr dan terdapat osilasi antara induktartsi beban dan kaplsitarni hlter keluaran inverter. Pada rujukan [2], inverter jenis arus dikendalikur sebagai sunber arus. Perlu dicatat bahwa karena saklar-saklar dibuka diur ditutup saat arusnya nol, nnka saklar tnverter bisa dircalisasikan dengar rnenggrunkan tltl'ristor. Karena thyristor bisa digrurakan,unlia invc(cr ini cocok uttfuk pcnerapar)yaug urenrerlukutiuverterkapasitasbesar. Pada bagian ini, dibahas cara llletlgendalikarttr,r'€rldi resouanDC jenis arus dengan cara yang s:urtasepenl pengendalian inverter resollzul DC jettis tegangan. Hubungan dual alltara kedua jenis inverter ini nrenyebabkan iuvcrtcr jeuis arus lurrus dikendalikan sebagaisurnbertegrulg,an(bukan sebagaistunberarus). Untuk nrenganalisiskinerja inverter resotum DC jenis arus,asumsi berikut digruukan: a Rugi-mgi daya di rangkaiattresoll;irtsibisa diatraikrn. b Kapasitiursi filte r kelu:uan inverter cukup besar sehingga konstattla rvaktu rangkaian keluarar jauh lebih besardibandinglianperioda resontulsirangkaiiin resonansi. Dengan asuttsi ini, tega-rrganmasukatt invcrtcr selaruasatu pcrioda rcsonansibisa dianggap tetap.
€
ekivalen sisiDC inverter Gambar5 Rangkaian resonan DCjenisarus. mula-mula saklar S, dibul
z
lsinort
v(;, 'V* *(V"r, - Z')cos (ri + I dZsin@l
(5) ((t)
(l)-(2) dan persatnaan Perbandingan anlarapersalnaan (5)-(6) menurjukkan adanya hubungan dual antara kinerja rangkirianresonansiinvcrterjenis tegangandan nngkaian resonansi inverter jenis arus. Jika V"o rupa schingganilainyasaln dikendalikansedernikian
il, Ni}.}, I99q fk(){ . I'l'ii l'r.'li'.,.
ii..ir,1rt:i l',
rr;,:k.il ilnts di illduktr.rr l.-crul:rah nlcnjadi
sci.rrgai bcrikul. i L, '= I c(i
triursistoryarrg rnenerinlasin-yulON. ia.an tetapl, Jika ketiga
.- e;os*r)
fl)
P;d:r kondisi ini. irilu maksltuuur arus di induklor rcsolurnsi(yang .tiiur;; Cerrpananrs masrikffi inverter) adalair tlua k;:li a.rus >.u:tirer. Jika tcgrrlgan ntula di kapasitor lcbih besar diiri tegangal inasukan inverler, rurakanilai puncak arus resonanbisa lebilr besar dari dua kali arus sunrbcr. Jadi. tegangur mula kapasitor resonau sebcsartcg:ulgail nrasrrlu.milvcrtcr urenrpakiurkortdisi vilrg optilnuril. Untuk nreugendaiikantegargail urula kapasitorresonan dipcrlul;ur inforurasi tentiurg tegiulgan masukan inverter selanra satu perioda resonarrsi. Tegurgan masukan inverter ini dihiturg berdasarkan fungsi srni/ciing din tegangafi kelrruan irrvcrtcr, ;'aitu urclalui pcrvuuiuur berikut:
-l s:r,v"^u { ,!f,,r',u V,=.s!,,v,,,
fungsi
switching
fasa
Su,,.
S;" .
dan
.f.,, rnernpunyainilai 0, nraka satu pasang tlansistor di 'f salah satu fasa inverter (nrisal I dal 12) harus menerima sinyal ON. Penl,alaan scpasang transistor ini diperlukan untuk rnenjamin kontinuitas arus sumber. Karcna pengcndali tegangan ini adalah dual dari pcngendaliarus inverterjenis tegangail,maka diharapkan pengendali tegangan ini akn mernpunvai kecepatan tanggapyangjriga tin5gi. Sampai di sini kita melilrat ada sedikit perbudaananran metodepenyalaantmnsistor pada inverter jenis tegangan dan jenis arus- Akan tetapi, perbedaanini bisa dimengcrti karena yang mempunyai hubungan dual lunyalah rangkaian ekivalen sisi DC dan sisi ac, sedangkan ra.ngkaian invcrlcnrya sendiri tctap nonplanar. Secaraurirull, algoritma pengerrdalierrinvcfl.r-:rrcs$ndrl DC jenis arus bisa ditrlliskan sebagaiberikut:
(8) a Menentukan frrngsi swifcfiing antarfasa Jj,,,
v*, da-nl,o, masing-rnasingadalah tegangan derrgiur1,,.,.. kelrraranantarfasa uv, vw. dan wu dari inverter [61.
dan Jo,, berdasarkantegangankeluaran referensi dan tegangankeluran sebenarnya
i
Fiirrgsi .rvl/cfiirig Jj,,,. Sr- , dlut ,Sf, nnsing-nusilg irrerryatakaufungsi sv'ifr.'hlrg invedcr antarfasa uv, vrr, dan wu. Jika inverter dikendalikan scbagai suutber tegangal (bukar sebagai sumber arus), uuka algorittna bcnkut diusulkan: IF u,,, .. v', T[{EN .\ i,. = I Et SL. .t;" =0 dengan Vju menyatakantegangan referensi antarfbsarv. Fungsi s"u,i/ching utlar fasa vp dan wu didapatkan dengancanl yang szuna.Pengendalianteg,axgansernacaln irri penulis rnnrakan discrete-pulse voltage-regulator. Berbedadengzurinverter jenis tegangan,fungsi swi/ching
anrarfasasj,", s) , czur si" tloat bisa langsung saklarinverter. Untuk digumkan turtukmengendalikan bisa mengcndalikansaklar inverl.cr, fungsi swi/c/ting fasa inverterberikut ini lurrus lebilt dulu ditentukiur:
si,=si, -sl"
(e)
sl =sj,,-s,4u
(10)
si.= s'- *^tio,,
(ll)
S,- .
b Menentukan fwgsi s,witching J;,
.\u " ii.,,;
;;
berdasarkanpersarraan(9)-( I.l ). c Menentukan tegangan nusukal menggunakanpcrsiunaan(8).
iuverti:r dengan
d Menrberikan pcrintah OFF kc lr';uisistor5i, Si, dan S! untuk mengendalikan tegang,afl flrula di kapasitor resonan sehingga nilainya sama dengan tegangan masukaninverter yang didapat dari langkah c). e Meurberikan pcrintah ON ke tmnsistor inverter sesuai denganfiurgsi .rwlfching yang didapat di langkah b). Anaiisis di atas rnenggutakar asunsi bahwa n.rgl-rugr daya di rangkaian resonansi bisa diabaikan, Dalam praktek, rugi-rugi ini tidak bisa diabaikan sehingga tegangan mula di kapasitor harus sedikit lebih besar daripada tcgangan masukan inverter. Dengan nrcncrapkan leon dual, metode kompensasi rugi-rugi daya yang telah dikembangkandi rujukan [7-8ljuga bisa ditenpkan padainverlerresonanjerris arus.
4
Hasil percobaandan pembahasan
4.1 Inverter resonanDC jenis tegangan Fungsisu,i/r:lriirgfasa ini ltrernpunyaitiga kernutgkinan nilai, yaitrr +1, -1, drur 0. Jika fungsi svtilc:hingfasa, menrpruryiriirilai +1, rnaka transistorTl meneriura sinyal ON dm jrka nilainya -1, nraka transistorT2 yang nrenerirnasinyal ON. Jika tflai fungsi switching fasa ini ureutpuryai nilai 0, nnka tidak ada misalnya sl,
tJntuk menguji valliditas korsep yang diusulkan, beberapapercobaantelah dilakukan. Percobaanyang pertamaadalah mernbuatinverter resontui DC jenis tegangandenganskema sepertiterlihat di Gambar L Transistorbipolardigunkan sebagaisaklar.SurnberDC didapat dari hasil penyearalnn sumber ac dengan
PROC.ITB,V2L3t, NO.2,1999
74
lulenggrulakanpenyearahdioda dan filter kapasitor percobaan, DC dijagatetap tcgangan elektrolitik.Selarna sebesar150VDC. Bebar yangdrguukarradalahbeban statishubungzur binhng (Y) yang setiapfasanyaterdiri atas resistor (2,25 O) dan induktor (5 utll) yang terhubungseri.Nilai efektif arusreferensidijagatetapl0 A denganfrekuensi dasar 50 Hz. Sebagainngkaian resonzur digruukaninduktor 65 pH dan kapasitor0,75 uF. Gambar 6(a) drur 6(b) unsing-rnasingmenunjukkan di kapasitorresorumatau teganganunsukan tegang,an inverterdengan:rrusuruladi induktordrjagatetap(pada nilai rnaksiurunr yang menjarnin bahrva tegangan kapasitor bisa kembali ke nilai uol) dan yang dikendalikar schinggaarus rnula di induktor resonan inverlerplussuatunilal yang arusmasukan samadcngart rugi-nrgidayadi rangkaian tetapuntukmengkornpensasi resonansi,Ganrbar itu rnenunjukkrn balnva dengan mengendalikzul anrs mula di induktor,fluktuasinilai puncaktegangankapasitorbisa ditekansupayatetap mendekatinilai dua kali teganganstunbcrDC. Garnbar 7(a) ruernperliha&an tegangandi kapasitorresonandan arus di induktor resonan.Gantbar7(b) menrpcrliln&an tegangandan arus nusukan iuverter. Garnbartersebut memperlihatkan bahwawalaupunarusuruladi induktor resonan telal dikendalikan, nilai puncak tegangan kapasitorkadang-kadalgrnasih tnelonjakjauh lebih tinggi dari dua kali tegangansu.urberDC. Lonjakan tegargan te{adi saat arus masukaninverter berubalr mendadakdari positif ke negatif.Hal ini bisadirnengeni karenapengendalian anrsnrulainduktorresoniurdengan menghubungsingkat saklar & tidak bisa menunurkan arus di induktor resollan supaya negatip dan sarna denganarusnrasukaniuverteryang berubahdari positif ke negatif.Pengendalimarah negatif bisa dilakukan tanrbahan[7]. dengannrcnggrunkurrangkaizut Gambar 8 ureurperlihatkangclonrbiurg tegargart inverter.Walaupurt antarfasakeluaraudan aruskelu.rrzut gelonrbang tegangarmyanousirtusoidal,geloutbang arusnya urernpunyaibentuk utendekati sinusoidal. trayektoritegangandan arus Gambar9 urenrperlihatkan di salahsatutransistorinverter.Adanvategangandan sclfnggarugiarustid.1kpenurlrterjadisccarabersau.na:r nrgi daya saat transistornernbukad;ur urenutupbisa dihilangkau.
4.2 lnverter resonanDC jenis arus inverter Untuk mengujibahrvaalgoritrnapengendalian resonallDC jenis teg,angiulbisa diterapkat urtluk merrgendalikarl inverterresonanDC jenis anis, telalr dibuatinverterdenganskernasepcrtiterlilut di Gantbar 10. Sebagaiuklar digruukan transistorIGBT. Karerla secaraalanti tidak ada sulnberarus,digunakansunber arus buatan yang terdiri alas chopper dua kuadraq indulitor Ld gO urll), dan sulnber tegallganDC Ed.
SurnberteganganDC didapat dari hasil pcnyearahan penyearahdioda dan sunrberac denganInenggunakan filter kaprsitrlr.TcgangarsurnberDC dijagatetap 150 VDC sclanul percobaan. Transistor chopper rupa sehinggaarusdi induktor dikeudalikarsedernikian La tetap scsuai dengan yang diinginkan. Dalam percobaan, arus DC drjagatetap sebesar15 A. Scbagai bebandigunakanbcbanstatik yang terdin atas resistor (5,7 O) dan induktor (5 rnfD. Tiga kapasitor90 pF dipasangdi keluaraninvertersepertiterlihat di Gambar resonan dibentukolehinduktor28 pH dan 8. Rangkaian referensikelua-ran kapasitor0,75pF. TeganganarLarfasa dasar50 Hz. duagatetap50 V padafrekuensi
300v licr
OV
50 ps/div
50 ;.rs/div
Gambar6 TeganganmasukaninverterresonanDC j e n i st e g a n g a n( a )t a n p ad a n ( b ) d e n g a np e n g a t u r a n a r u sm u l a .
PROC.Ifii. L'.f)!.. il, NA."l, l9t)9
75
20A OA
300v rC,
0v
50 ps/div
tegangan-arus saklarinverter Gambar9 Trayektori resonan DCjenistegangan.
l0A OA 100v Gambar 10 Skema perpobaaninverter . resonanDC jenis'arus.
0v
(b)
50 ps/div
Gambar7 (a) Tegangankapasitorresonandan arus induktorresonandan (b) tegangandan arus masukan inverterresonanDC jenis tegangan.
GarnbarI
4 mVdiv "fegangandan arus keiuaraninverter iesonanDC jenistegangan.
Gambar I I (a) dan (b) memperlihatkan gelombang tegangan di kapasitor resonan dan arus di induktor resonan dan tegangan masukan inverter saat tegangan mula dijaga tetap (dijaga tetap pada nilai maksimum yang menjamin bahwa arus induktor resonan bisa kembali ke nilai nol) dan saat tegangan mula kapasitor resonan dikendalikan sehingga nilainya sama dengan tegangan masukan inverter plus suatu nilai yang tetap untuk mengkompensasi rugi-rugi daya di rangkaian resonan. Gambar ini menunjukkan bahwa dengan mengendalikan tegangan mula kapasitor resonan, nilai puncak arus induktor resonan bisa dijaga agar selalu mendekati dua kali nilai arus sumber. Gambar 12 memperlihatkan gelombang arus dan teganganmasukan inverter. Perbandinganantara Gambar I I dan 12 dengan Gambar 7 menunjukkan adanya kemiripan antara gelombangarus induktor resonandan teganganmasukan inverter pada inverter resonan DC jenis arus dengan gelombangtegangankapasitor resonandan arus masukan inverter pada inverter resonan DC jenis tegangan.Mirip denganinverter resonanDC jenis tegangan,nilai puncak arus induktor resonan pada inverter resonan DC jenis arus akan melonjak jauh lebih tinggi dari dua kali arus sumber saat tegangan masukan inverter berubah secara mendadakdari positif ke negatif. Alasannya samaseperti pada inverter jenis tegangan,pembukaan saklar S, pada inverter resonanDC jenis arus tidak bisa mengendalikan teganganmula kapasitorresonanpada arah negatif.
76
PROC.ITB,r"oL.3t, No.2,1999
200V/div dilakukan oleh pcnulis. Ganrbar l4 rncrnperlihatkan bcntuk trayektori tegangandan arus di salahsatu saklar invcrter dan menuniukkan tid?k adaaya rugi-rugi .rv,itching.
20A/div
50V/div * S0ps/div
200V/div
sA/div
-r Sms/div G a m b a r1 3 T e g a n g a n d a n a r u sk e l u a r a ninverter resonanDC ienisarus.
20A/div
* S0ps/div G a m b a r1 1 T e g a n g a nk a p a s i t orre s o n a nd a n a r u s induKorresonaninverterresonanDC jenis arus(a) tanpa d a n ( b ) d e n g a nk e n d a l i t e g a n g amnu l ak a p a s i t o r .
50V/div
J l00V/div
tvr2
20A/div i
I
| .
ZIa
-,
l0A/div Gambar14 Trayektori tegangan-arus saklarinverter r e s o n a nD C i e n i sa r u s . * S0ps/div
Gambar 12 Tegangandan arusmasukaninverter r e s o n a nD C i e n i sa r u s . Garnbarl3 mempcrlihatkm bentuk gelornbangtegangan antarfasa kcluaran dan arus beban inverlcr resonan DC jenis arus. Berbeda dengan iuvcrter rcsonan DC jenis tegangarl gelourbalg tegalrgiur dan arus ketuaran inverter resonan DC jenis arus keduzuryanreurpunyai beutuk nrcndckati siuusoidal. Ketidakstabiiimteg,argan sepertiyang ditenruipada rujukal [2], tidak ditenruipada percobaan ini. Hal ini rnungkin krrena sifat kokoh (robust) d,aA discrete pulse voltage regulator. Rincian analisiskinerja pengendalitegal)ganscnlacaulini sedang
5
Kesimpulan InveflcrrcsonanDC jenis tegangan dan jenis arusbisa dikendalikandengancarayang sama"dan kcbenarannya dibuktikanlewat pcrcobaal.Padainverter resonanDC jenis tegangan,pengendalianarus mula di induktor rcsonandilakukandenganrnenutupsaklarinverter.perlu pula dijamin ba.hwategangankapasitor resonanbisa kembalike niJainol padaakhir periodaresonalsi.pada inverterrcsouiulDC jcnis arus,pengendalian tegangan nruladi kapasitorresorumdilzr-kukal denganmernbuka saklarinvcrtcr,dan perlu dijarnin bahwa arus induktor resouanbisa kenrbalike nilai nol pada akhir perioda rcsonansi.Ams keluaraninvcrter resoniulDC jenis
PRtj(: l7'it 'L.:i. 1j. ii3 l. 1999
iigr;rgiin dik;,'li:;.ilkan dengan di,screle pulse current regulator dan teg,angankchruan iitverter resonan DC t't:Ie p uIse vo Itag e r eguIal ar. dikendalikan dengal dts:,..
{i
tjcapan terinia Lasiir
Seiragiaupenelitian ini didarui oleh f'royek UITUL Progranr Doktor Banr dan drlakukan di lfutaoka l,aboratory, Toky'o Institute of Teclurology. Penulis nrcngucapkalterirna kasih kcpada M. Tobit4 Y. Kato, dan H. In:rda, semuanya malusisrva Tokyo Insltute ol' Teclurology, yang telah meurbaltu dalatn melakukan pcrcobaan.
?
Daftar pustaka
l.
D. M. Divan, The Resottont D(- Lini; ('ortr,rt'ler ..1 Concept in Slatic New f'ower (ont,ersion, IEEE Trans.lnd. Appl., Vol. 25, No. 2, March/April 1989, pp. 317-325.
Z. Y. Nturai and T. A. Lipo. High-Frequency fieriesResonantDC Link Power Conversion, IEEE Trarc. lnd. Appl., Vol. 28, No. 6, Nov./Dcc. 1992, pp. t277-t285.
11
G. L. Skibinski and D. M. Divan, t haroclerizarion of Power Transistors [Jnder Zero l:oltage Switchings, Conf. Rec. IEEE Ind. Appl. Soc. Ann N,leet., 1987,pp. 493-503. J. A. Deacon,J. D. Van Wyk, and J. J. Schocman, An Evaluation of Resonont Snubbers Applied ta GTO Converfers,IEEE Trans. Ind. Appl.. Vol. 2-5, No. 2, Marcl/April 1989,pp.292-291. 5 . A. Mertens and D. M. f)ivan, A High-Frequenc.y' ResonantDC Link Inverter Using lt)RTs, Proc. IEF. Japan Int. Power Electr. Conf., Tokyo, l99t), pp t52-160.
6 . P. A. Dahono, T. Kataoka, and Y. Sato. Drrrll RelationshipsBetween Voltage-SourceanJ Current Source Three-Phase PI4/M lverlers and It:; Applications,Proc. IEEE Conf. Pou'er Elcclr. Diive Sys."Singapore,1997,pp. J. S. t,ai and B. K. Bose,ln Improvedf{e.cuttt.,,tj'),.'. Link Inverter for Induction \fotor Drive s, { onl l{ec. IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Meet., 1988, pp. 742. 748. Y. Sato. Y. Matsurnoto. and T. Kataoka- A Clanlrol A{ethod of Resonant DC Link Inverters, Proc" IEE Japan Int. Power Electr. Conf., Tokyo, t99tt pp 346-353.
