Penyearah Elektronik Daya (Konverter Ac/Dc) 2
Komutasi Tiga Fase dengan Jembatan Enam Dioda
Dalam sirkuit konverter elektronik power praktis, komutasi mengikuti rangkaian dasar yang sama menyerupai yang dijabarkan di atas. Gambar 5-3 mengatakan sebuah sirkuit bridge rectifier enam pulsa untuk mengkonversi arus-arus AC tiga fase IA, IB, dan IC, ke arus DC ID.
Jenis rangkaian ini relatif sederhana untuk dianalisa sebab hanya dua dari keenam dioda yang mengalirkan arus pada satu waktu. Rangkaian komutasi ideal tersebut sanggup dengan gampang diidentifikasi. Dalam pola ini, komutasi diasumsikan terjadi dari dioda D1 ke D3 dalam kelompok positif, sementara D2 mengkonduksi dalam kelompok negatif. Dalam rangkaian jembatan elektro daya, biasa (konvensional) diodadioda tersebut diberi nomor D1 hingga D2 dalam rangkaian ini dimana di ON-kan dan di-OFF-kan. Bila VA yaitu tegangan tertinggi dan VC terendah, D1 dan D2 konduk.
Sama dengan rangkaian ideal dalam gambar 5-3, bila VB naik melebihi VA, D3 menjadi on dan komutasi mentransfer arus dari dioda D1 ke D3. Sebagaimana sebelumnya, waktu komutasi bergantung pada induktansi sirkuit (L) dan tegangan komutasi (VB – VA). Sebagaimana sanggup terlihat dari pola bridge rectifier dioda enam pulsa dalam Gambar 5-4, komutasi biasanya diawali oleh perubahan-perubahan eksternal.
Dalam kasus ini, tegangan jala-jala suplai tiga fase mengontrol komutasi. Dalam aplikasi lain, komutasi sanggup juga diawali atau dikontrol oleh faktorfaktor lain, bergantung pada tipe konverter dan aplikasi. Karena itu, konverter sering digolongkan berdasarkan sumber perubahan ekstern yang memulai komutasi. Dalam pola di atas, konverter dikatakan dikomutasi karena sumber tegangan komutasi yaitu pada jala-jala suplai utama. Sebuah konverter dikatakan berkomutasi sendiri jikalau sumber tegangan komutasi berasal dari dalam konverter itu sendiri. Konverter terkomutasi gate yaitu contoh-contoh sejenisnya.
Line-Commutated Diode Rectifier Bridge
Salah satu dari sirkuit paling umum yang dipakai dalam elektronik power yaitu bridge rectifier enam pulsa terkomutasi line tiga fase (Gambar 5-4), yang terdiri dari enam dioda dalam sebuah rangkaian jembatan. Rangkaian jembatan satu fase tidak akan dikonversi di sini sebab operasi mereka sanggup dideduksi sebagai satu penyederhanaan rangkaian jembatan tiga fase.
Asumsi
- Tegangan-tegangan suplai kuat/tinggi dan sepenuhnya sinusoidal
- Komutasi segera dan tidak memiliki duduk kasus pengembalian
- Arus beban sepenuhnya rata
- Transformator dan komponen ideal
- Tidak ada penurunan tegangan dalam saklar elektronik daya.
Asumsi-asumsi ini dibentuk untuk mendapat pemahaman mengenai sirkuit-sirkuit itu dan untuk menciptakan taksiran-taksiran arus, tegangan, waktu komutasi. Selain itu, kondisi-kondisi pembatas yang mempengaruhi performa konverter-konverter mudah dan deviasi mereka dari kondisikondisi ideal akan diperiksa untuk menjembatani (bridge) gap dari yang ideal ke yang praktis.
Dalam rangkaian jembatan dioda, dioda-dioda tersebut tidak dikontrol dari sebuah rangkaian kontrol eksternal. Melainkan, komutasi diawali secara eksternal oleh perubahan-perubahan yang terjadi dalam tegangantegangan line suplai, sebab itulah namanya penyearah terkomutasi jalajala (line-commutated rectifier).
Menurut konvensinya, dioda-dioda tersebut diberi nomor D1 hingga D6 dalam rangkaian tegangan jala-jala suplai.
Tegangan jala-jala suplai tiga fase terdiri dari tiga bentuk gelombang tegangan sinusoidal, berbeda 1200, yang naik ke harga maksimum dalam rangkaian A-B-C. Menurut konvensi, tegangan-fase ke netral dilabelkan VA, VB, dan VC dan tegangan-fase ke fase yaitu VAB, VBC, dan VCA.
Tegangan-tegangan ini biasanya ditunjukkan secara grafik sebagai sebuah diagram vektor, yang berotasi berlawanan jarum jam pada frekuensi 50 kali per detik. Sebuah diagram vektor dari tegangantegangan ini serta amplitudo-amplitudo dan posisi-posisi relatifnya ditunjukkan dalam Gambar 5-5. Bentuk-bentuk gelombang tegangan sinusoidal, dari tegangan suplai, sanggup diperoleh dari rotasi diagram vektor.
Keluaran konverter yaitu tegangan DC yang disearahkan VD, yang mengalirkan arus DC ID melalui beban pada sisi penyearah. Dalam sirkuit ideal tersebut, diasumsikan bahwa arus DC ID konstan dan sepenuhnya smooth tanpa tegangan kerut (ripple). Rangkaian jembatan terdiri dari dua kelompok komutasi, satu tersambung ke positif, yang terdiri dari diodadioda D1-D3-D5, dan satu tersambung ke negatif, yang terdiri dari diodadioda D4-D6-D2. Komutasi tersebut mentransfer arus dari satu dioda ke yang lainnya secara berangkai dan masing-masing dioda mengkonduksi arus untuk 1200C setiap siklus, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 5-5.
Dalam kelompok diatas, terminal DC konkret mengikuti tegangan tertinggi dalam rangkaian VA-VB-VC melalui dioda-dioda D1-D3-D5. Bila VA mendekati puncak positifnya, dioda D1 mengkonduksi dan tegangan terminal DC konkret mengikuti VA. Arus DC mengalir melalui beban dan kembali melalui salah satu dioda kelompok lebih rendah. Pada waktu yang sama, VB naik dan pada hasilnya mencapai satu titik, dimana menjadi sama dengan dan mulai melebihi VA. Pada titik ini, tegangan arah maju pada dioda D3 menjadi konkret dan mulai menjadi on. Tegangan komutasi dalam sirkuit ini, VB-VA mulai menggerakkan suatu arus komutasi yang meningkat walaupun induktansi sirkuit dan arus melalui D3 mulai meningkat, dikala arus dalam D1 menurun. Dalam serangkaian insiden yang serupa dengan yang digambarkan di atas, komutasi terjadi dan arus ditransfer dari dioda D1 ke dioda D3. Pada simpulan periode komutasi, dioda D1 dihambat dan terminal DC konkret mengikuti VB hingga komutasi berikutnya terjadi, untuk mentransfer arus ke dioda D5. Setelah dioda D5, komutasi mentransfer arus kembali ke D1 dan siklus ini berulang.
Dalam kelompok lebih rendah, satu rangkaian serupa peristiwa-peristiwa terjadi, tetapi di sini tegangan-tegangan negatif dan arus mengalir dari beban kembali ke main. Awalnya D2 diasumsikan mengkonduksi dikala VC lebih negatif dibanding VA. Ketika waktu berjalan, VA menjadi sama dengan VC dan kemudian menjadi lebih negatif. Komutasi terjadi dan arus ditransfer dari dioda D2 ke D4. Dioda D2 menjadi off dan dioda D4 menjadi on. Arus kemudian ditransfer ke dioda D6, kemudian kembali ke D2 dan siklus ini berulang.
Dalam Gambar 5-5, periode-periode konduksi dioda-dioda dalam kelompok atas dan kelompok bawah ditunjukkan pada beberapa siklus suplai tiga fase. Ini mengatakan bahwa hanya dua dioda mengkonduksi arus pada suatu waktu (kecuali selama periode komutasi, yang diasumsikan pendek secara infinit) dan bahwa masing-masing dari keenam dioda mengkonduksi selama hanya satu penggalan dari siklus dalam satu rangkaian reguler. Komutasi terjadi secara bergantian dalam kelompok atas dan kelompok bawah.
Tegangan output DC VD bukan sebuah tegangan smooth dan terdiri dari bagian-bagian bentuk gelombang tegangan fase ke fase. Untuk setiap siklus 50 Hz AC Waveform (20 ms), tegangan DC VD terdiri dari bagianbagian enam pulsa tegangan, VAB, VAC, VBC, VBA, VCA, VCB, dll., sebab itulah namanya bridge rectifier enam pulsa.
Magnitudo rata-rata dari tegangan DC sanggup dihitung dari bentuk gelombang tegangan yang ditunjukkan dalam Gambar 5-5. Harga ratarata diperoleh dengan mengintegrasikan tegangan atas salah satu dari bagian 1200 berulang dari kurva tegangan DC. Integrasi ini menghasilkan sebuah magnitudo rata-rata dari tegangan VD sebagai berikut:
Contohnya, jikalau VRMS = 415 V, maka VD = 560 DC. Bila ada induktansi yang cukup dalam sirkuit DC, maka arus DC ID akan mantap (steady) dan arus suplai DC akan terdiri dari segmen-segmen arus DC dari masingmasing dioda secara berangkai.
Sebagai contoh, arus dalam akomodasi A ditunjukkan dalam Gambar 5-6. Arus non-sinusoidal yang mengalir dalam masing-masing fase mains suplai sanggup mempengaruhi performa suatu peralatan AC lain yang tersambung. Dalam prakteknya, untuk menjamin bahwa kapabilitas tegangan penghambat reverse (reverse blocking voltage) dispesifikasi secara tepat, perlu mengetahui magnitudo tegangan penghambat reverse yang muncul pada masing-masing dioda pada line suplai yang didesain untuk beroperasi dengan bentuk-bentuk gelombang sinusoidal.
Secara teoritis, Tegangan reverse maksimum pada sebuah dioda sama dengan puncak tegangan fase ke fase. Contohnya, Tegangan reverse VCA dan VCB muncul pada dioda D5 selama periode penghambat (blocking). Dalam prakteknya, satu faktor pengaman (safety factor) sebesar 2,5 umumnya dipakai untuk menspesifikasi kapabilitas penghambat reverse (reverse blocking) dioda-dioda dan saklar-saklar elektronik power lain. Pada sebuah bridge rectifier yang diisi dari suplai power 415 V,
Tegangan penghambat reverse Vbb dari dioda harus lebih tinggi dari 2,5 x 440 V = 1100 V. Karena itu, mudah secara umum dipakai dioda-dioda dengan tegangan penghambat reverse (reverse -blocking voltage) 1200 V.
