Penyearah Elektro Daya (Konverter Ac/Dc) 3
Line-Commutated Thyristor Rectifier Bridge
Tegangan searah (DC) output dan sekuens operasional diode rectifier dalam Gambar 5-6, bergantung pada perubahan kontinu tegangan suplly line dan tidak bergantung pada rangkaian kontrol. Oleh alasannya yaitu itu, ini dinamakan sebagai diode rectifier bridge tak terkontrol alasannya yaitu output tegangan searah tidak terkontrol dan berharga tetap, yakni 1,35 x Vrms
Jika dioda ini digantikan dengan thyristor, maka terbuka kemungkinan mengontrol suatu titik dimana thyristor diaktifkan dan, dengan demikian, besarnya tegangan output searah sanggup dikontrol. Konverter semacam ini dinamakan thyristor rectifier bridge terkontrol. Ini membutuhkan rangkaian kontrol tambahan, untuk mengaktifkan thyristor pada ketika yang tepat. Suatu konverter thyristor enam pulsa tipikal diperlihatkan dalam Gambar 5-7.
Berdasarkan pecahan terdahulu, syarat-syarat yang diharapkan semoga suatu thyristor meghantarkan arus dalam suatu rangkaian elektronik daya (power electronic) yaitu sebagai berikut:
- Tegangan forward harus terdapat pada thyristor
- Suatu pulsa kasatmata harus diberikan terhadap thyristor gate.
Jika masing-masing thyristor diaktifkan sesaat ketika tegangan forward di dalamnya cenderung positif, maka thyristor rectifier beroperasi dengan cara yang sama dengan diode rectifier yang diterangkan di atas. Semua gelombang tegangan dan arus dari diode bridge juga bekerja pada thyristor bridge.
Suatu thyristor bridge yang beroperasi ibarat ini disebut beroperasi dengan delay angle (sudut penundaan) nol dan memberi output tegangan sebesar:
V = 1,35 x VRMS
Output rectifier bridge sanggup dikontrol, dengan menunda waktu sesaat (instantaneous) dimana thyristor mendapatkan pulsa pemicu (triggering pulse). Penundaan ini biasanya diukur dalam derajat, dari titik dimana tombol tekan dihidupkan, alasannya yaitu tegangan forward menjadi positif. Sudut penundaan ini dinamakan sudut penundaan (delay angle), atau kadangkadang dinamakan firing angle, dan ditulis dengan lambang (α). Titik pola untuk delay angle yaitu titik dimana suatu gelombang tegangan fase memotong tegangan fase terdahulu dan menjadi positif. Diode rectifier sanggup dibayangkan sebagai sebuah konverter dengan delay angle = 0 derajat. Tujuan utama pengontrolan suatu konverter yaitu mengontrol besarnya tegangan output searah. Umumnya, semakin besar delay angle, semakin kecil tegangan searah. Dibawah operasi dalam keadaan mantap dari suatu sebuah konverter thyristor terkontrol, delay angle untuk masing-masing switch yaitu sama. Gambar 5-9 memperlihatkan gelombang tgangan, dimana pengaktifan saklar telah ditunda oleh suatu sudut sebesar α derajat.
Operasi
Dalam kelompok saklar positif, terminal tegangan searah (DC) kasatmata mengikuti tegangan yang dimiliki saklar, yang dalam konduksi dalam urutan Va-Vb-Vc. Mula-mula diasumsikan bahwa thyristor S1 yang berasosiasi dengan tegangan Va dikonduksikan dan S3 belum diaktifkan. Tegangan pada bus positif pada sisi searah DC mengikuti tegangan Va yang menurun karena, tanpa adanya suatu konduksi S3, masih ada tegangan forward pada S1 dan hal itu akan terus menyebabkan konduksJika suatu S3 diaktifkan (dipicu) sehabis delay angle = α, maka tegangan pada bus kasatmata meloncat menjadi Vb, yang harganya kemudian diikuti. Pada momen instant ini, dimana S1 dan S3 menghantar, suatu tegangan komutansi negatif yang sama dengan Vb-Va terlihat pada S1 selama periode komutasi, yang kemudian mulai mati. Seiring dengan waktu, Vb mencapai puncak sinusoidnya dan kemudian menurun, yang diikuti dengan terminal searah DC positif. Dalam waktu yang bersamaan, Vc meningkat dan ketika S5 diakifkan, dalam susunan yang sama insiden yang sama berulang dan arus dikomutasikan ke S5.
Untuk diode rectifier, harga rata-rata tegangan searah sanggup dihitung, dengan mengintegrasikan gelombang tegangan dalam periode 120 derajat, yang mewakili suatu pecahan berulang dari tegangan searah. Pada delay angle α, tegangan searah diberikan oleh persamaan berikut:
Rumus ini memperlihatkan bahwa ouput tegangan teoritis dari thyristor rectifier dengan firing angle = 0 sama dengan output tegangan searah untuk diode rectifier. Ini juga memperlihatkan bahwa harga rata-rata tegangan searah akan menurun kalau delay angle bertambah besar dan bergantung pada cosinus delay angle. Bila α = 90 derajat dan cosinus α = 0 dan Vd = 0, yang berarti bahwa harga rata-rata tegangan searah sama dengan nol. Harga sesaat (instantaneous) tegangan searah sama dengan suatu saw-tooth voltage (tegangan gigi gergaji), ibarat yang diperlihatkan dalam Gambar 5-9.
Jika delay angle diperbesar lagi, harga rata-rata tegangan searah menjadi negatif. Dalam operasi semacam ini, konverter beroperasi sebagai inverter. Perlu dicatat bahwa arah arus searah ini tetap tidak berubah alasannya yaitu arus ini sanggup mengalir melalui saklar dalam satu arah. Akan tetapi, dengan tegangan searah negatif, arah ajaran daya terbalik (reverse), dan ajaran daya (power flow) dari sisi searah ke sisi bolak-balik.
Sebuah operasi keadaan mantap (Steady satate) pada mode ini,hanya mungkin, kalau ada sumber tegangan di sisi DC, harga instantaneous voltage (tegangan sesaat) searah untuk α yang lebih besar dari 90 derajat diperlihatkan dalam Gambar 5-10. Suatu operasi keadaan mantap, dalam mode ini, dimungkinkan hanya kalau terapat suatu sumber tegangan pada sisi searah. Harga sesaat tegangan searah untuk α yang lebih besar daripada 90 derajat diperlihatkan dalam Gambar 5-10.
Dalam praktiknya, komutasi tidak sesaat dan berkesudahan dalam suatu periode yang bergantung pada induktansi rangkaian dan besarnya tegangan komutasi. Seperti dalam perkara yang dikemukakan di atas, kita sanggup menaksir waktu komutasi, dari induktansi rangkaian komutasi dan taksiran tegangan komutasi.
Seperti dalam diode rectifier, arus searah keadaan mantap Id membentuk segmen-segmen arus dari masing-masing tiga fase pada sisi arus bolakbalik. Pada sisi arus bolak-balik. Pada arus bolak-balik, arus pada masingmasing fase terdiri atas blok-blok non-sinusoid, yang ibarat dengan blokblok yang berasosisasi dengan diode rectifier dan dengan konsekuensikonsekuensi serasi (harmonic consequences) yang sama. Dalam perkara diode bridge, dengan delay angle = 0, sudut antara arus fase dan tegangan fase yang berkorespondensi pada sisi arus bolak-balik hampir sama dengan nol. Akibatnya, faktor daya sama dengan satu dan konverter berfungsi ibarat beban resistif.
Untuk rectifier terkontrol, dengan delay angle α, sudut antara arus fase dan tegangan fase yang berkorespondensi juga sama dengan α, dan dinamakan sebagai power factor angle (sudut factor daya) . Sudut ini harus dinamakan sebagai faktor displacement alasannya yaitu sudut ini tidak benar-benar mewakili power factor. Akibatnya, bila delay angle thyristor rectifier berubah dan mereduksi tegangan searah, sudut antara arus fase dan tegangan juga berubah dengan besar perubahan yang sama.
Kemudian konverter berperilaku ibarat beban resistif-induktif dengan faktor displacement sebesar cosinus . Telah diketahui bahwa faktor power yang berasosiasi dengan rectifier terkontrol menurun, dimana tegangan output searah menurun.
Salah satu misalnya yaitu pengendali motor searah yang dikontrol oleh thyristor converter. Seiring dengan menurunnya tegangan searah, untuk mengurangi laju motor searah, pada torsi konstan, faktor daya menurun dan dibutuhkan daya reaktif yang lebih besar pada sumber jala-jala ke konverter.
Seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 5-11, bersamaan dengan menurunnya kecepatan sampai di bawah kecepatan dasar, daya reaktif tetap meningkat.
Gambar 5-11. Daya reaktif dari suatu pengendali motor searah dengan torsi konstan yang diberi beban (fed) dari konverter komutasi-line.
Keterbatasan Mudah Konverter Komutasi-line
Analisis di atas meliputi aspek-aspek teoritis dari konverter tak terkontrol dan terkontrol. Dalam praktiknya, komponen-komponen ini tidak ideal dan komutasi tidak sesaat (instantaneous). Ini menghasilkan deviasi tertentu dari kinerja teoritis. Salah satu deviasi ini yaitu bahwa arus beban searah tidak pernah mulus (smooth).
Penyebab :
Perbaikan :
Dalam upaya mempertahankan suatu arus searah yang mulus, konverter simpel biasanya mempunyai induktansi Ld secara seri dengan beban pada sisi searah. Untuk benar-benar memuluskan, harga Ld harus tak tentu secara teoritis, yang tentunya tidak praktis.
Konsekuensi praktisnya yaitu bahwa rumus teoritis untuk harga tegangan searah hasil perhitungan (Vd = 1,35 V rms cosinus α) tidak seluruhnya benar untuk semua harga delay angle. Pengukuran simpel mengkonfirmasi bahwa hal itu benar hanya untuk delay angle sampai 75 derajat, akan tetapi hal ini bergantung pada tipe beban dan khususnya induktansi beban searah. Pengalaman memperlihatkan bahwa untuk sudut delay angle yang lebih besar daripada 60 derajat, tegangan searah rata-rata akan lebih tinggi daripada harga teoritis, ibarat yang diperlihatkan dalam Gambar 5-12.
Aplikasi untuk Rectifier Komutasi-Line
Salah satu aplikasi penting konverter komutasi lini yaitu motor drive searah. Gambar 5-13 memperlihatkan suatu konverter komutasi line tunggal terkontrol yang dihubungkan dengan armature suatu motor searah. Konverter ini memperlihatkan suatu tegangan searah berubah terhadap armature motor tersebut. Dengan cara inilah rangkaian kontrol konverter dipakai untuk mengubah kecepatan motor.
Apabila delay angle lebih kecil daripada 90 derajat, maka tegangan DC kasatmata dan suatu arus Ia kasatmata mengalir ke armature motor searah, untuk mengirimkan power aktif ke beban tersebut. Sistem drive ini dikatakan beroperasi pada kuadran pertama (Gambar 5-14), di mana motor bergerak ke arah depan, dengan suatu transfer power aktif dari supply ke motor dan beban mekanisnya.
Jika delay angle konverter ditingkatkan ke suatu sudut yang lebih besar daripada 90 derajat, tegangan Vd akan menjadi negatif dan motor akan melambat sampai kecepatan diam. Arus Id juga menurun menjadi nol dan supply line sanggup diputuskan dari motor tanpa memutuskan arus.
Akibatnya, untuk menghentikan motor searah, delay angle harus diperbesar sampai mencapai harga yang leih besar daripada 90 derajat untuk memastikan bahwa tegangan Vd menjadi negatif. Dengan Vd negatif dan Id yang masih positif, konverter berperilaku sesaat ibarat sebuah generator dan menghasilkan suatu braking torque.
Disamping itu, hal ini berfungsi sebagai suatu brake untuk memperlambat motor dan bebannya dengan cepat ke suatu harga tetap. Dalam situasi ini, drive system disebut beroperasi pada kuadran kedua dimana motor bekerja pada arah forward. Konverter yang dibahas sejauh ini merupakan konverter tunggal, yang hanya sanggup beroperasi dengan arus tegangan searah (Id = +ve), yang berarti bahwa motor sanggup bekerja hanya pada arah forward tetapi suatu power aktif sanggup ditransfer pada dua arah. Konverter searah tunggal hanya sanggup beroperasi dalam kuadran 1 dan kuadran 4 dan dikenal sebagai konverter kuadran kedua.
Suatu thyristor bridge yang beroperasi ibarat ini disebut beroperasi dengan delay angle (sudut penundaan) nol dan memberi output tegangan sebesar:
V = 1,35 x VRMS
Output rectifier bridge sanggup dikontrol, dengan menunda waktu sesaat (instantaneous) dimana thyristor mendapatkan pulsa pemicu (triggering pulse). Penundaan ini biasanya diukur dalam derajat, dari titik dimana tombol tekan dihidupkan, alasannya yaitu tegangan forward menjadi positif. Sudut penundaan ini dinamakan sudut penundaan (delay angle), atau kadangkadang dinamakan firing angle, dan ditulis dengan lambang (α). Titik pola untuk delay angle yaitu titik dimana suatu gelombang tegangan fase memotong tegangan fase terdahulu dan menjadi positif. Diode rectifier sanggup dibayangkan sebagai sebuah konverter dengan delay angle = 0 derajat. Tujuan utama pengontrolan suatu konverter yaitu mengontrol besarnya tegangan output searah. Umumnya, semakin besar delay angle, semakin kecil tegangan searah. Dibawah operasi dalam keadaan mantap dari suatu sebuah konverter thyristor terkontrol, delay angle untuk masing-masing switch yaitu sama. Gambar 5-9 memperlihatkan gelombang tgangan, dimana pengaktifan saklar telah ditunda oleh suatu sudut sebesar α derajat.
Operasi
Dalam kelompok saklar positif, terminal tegangan searah (DC) kasatmata mengikuti tegangan yang dimiliki saklar, yang dalam konduksi dalam urutan Va-Vb-Vc. Mula-mula diasumsikan bahwa thyristor S1 yang berasosiasi dengan tegangan Va dikonduksikan dan S3 belum diaktifkan. Tegangan pada bus positif pada sisi searah DC mengikuti tegangan Va yang menurun karena, tanpa adanya suatu konduksi S3, masih ada tegangan forward pada S1 dan hal itu akan terus menyebabkan konduksJika suatu S3 diaktifkan (dipicu) sehabis delay angle = α, maka tegangan pada bus kasatmata meloncat menjadi Vb, yang harganya kemudian diikuti. Pada momen instant ini, dimana S1 dan S3 menghantar, suatu tegangan komutansi negatif yang sama dengan Vb-Va terlihat pada S1 selama periode komutasi, yang kemudian mulai mati. Seiring dengan waktu, Vb mencapai puncak sinusoidnya dan kemudian menurun, yang diikuti dengan terminal searah DC positif. Dalam waktu yang bersamaan, Vc meningkat dan ketika S5 diakifkan, dalam susunan yang sama insiden yang sama berulang dan arus dikomutasikan ke S5.
Untuk diode rectifier, harga rata-rata tegangan searah sanggup dihitung, dengan mengintegrasikan gelombang tegangan dalam periode 120 derajat, yang mewakili suatu pecahan berulang dari tegangan searah. Pada delay angle α, tegangan searah diberikan oleh persamaan berikut:
Rumus ini memperlihatkan bahwa ouput tegangan teoritis dari thyristor rectifier dengan firing angle = 0 sama dengan output tegangan searah untuk diode rectifier. Ini juga memperlihatkan bahwa harga rata-rata tegangan searah akan menurun kalau delay angle bertambah besar dan bergantung pada cosinus delay angle. Bila α = 90 derajat dan cosinus α = 0 dan Vd = 0, yang berarti bahwa harga rata-rata tegangan searah sama dengan nol. Harga sesaat (instantaneous) tegangan searah sama dengan suatu saw-tooth voltage (tegangan gigi gergaji), ibarat yang diperlihatkan dalam Gambar 5-9.
Jika delay angle diperbesar lagi, harga rata-rata tegangan searah menjadi negatif. Dalam operasi semacam ini, konverter beroperasi sebagai inverter. Perlu dicatat bahwa arah arus searah ini tetap tidak berubah alasannya yaitu arus ini sanggup mengalir melalui saklar dalam satu arah. Akan tetapi, dengan tegangan searah negatif, arah ajaran daya terbalik (reverse), dan ajaran daya (power flow) dari sisi searah ke sisi bolak-balik.
Sebuah operasi keadaan mantap (Steady satate) pada mode ini,hanya mungkin, kalau ada sumber tegangan di sisi DC, harga instantaneous voltage (tegangan sesaat) searah untuk α yang lebih besar dari 90 derajat diperlihatkan dalam Gambar 5-10. Suatu operasi keadaan mantap, dalam mode ini, dimungkinkan hanya kalau terapat suatu sumber tegangan pada sisi searah. Harga sesaat tegangan searah untuk α yang lebih besar daripada 90 derajat diperlihatkan dalam Gambar 5-10.
Dalam praktiknya, komutasi tidak sesaat dan berkesudahan dalam suatu periode yang bergantung pada induktansi rangkaian dan besarnya tegangan komutasi. Seperti dalam perkara yang dikemukakan di atas, kita sanggup menaksir waktu komutasi, dari induktansi rangkaian komutasi dan taksiran tegangan komutasi.
Seperti dalam diode rectifier, arus searah keadaan mantap Id membentuk segmen-segmen arus dari masing-masing tiga fase pada sisi arus bolakbalik. Pada sisi arus bolak-balik. Pada arus bolak-balik, arus pada masingmasing fase terdiri atas blok-blok non-sinusoid, yang ibarat dengan blokblok yang berasosisasi dengan diode rectifier dan dengan konsekuensikonsekuensi serasi (harmonic consequences) yang sama. Dalam perkara diode bridge, dengan delay angle = 0, sudut antara arus fase dan tegangan fase yang berkorespondensi pada sisi arus bolak-balik hampir sama dengan nol. Akibatnya, faktor daya sama dengan satu dan konverter berfungsi ibarat beban resistif.
Untuk rectifier terkontrol, dengan delay angle α, sudut antara arus fase dan tegangan fase yang berkorespondensi juga sama dengan α, dan dinamakan sebagai power factor angle (sudut factor daya) . Sudut ini harus dinamakan sebagai faktor displacement alasannya yaitu sudut ini tidak benar-benar mewakili power factor. Akibatnya, bila delay angle thyristor rectifier berubah dan mereduksi tegangan searah, sudut antara arus fase dan tegangan juga berubah dengan besar perubahan yang sama.
Kemudian konverter berperilaku ibarat beban resistif-induktif dengan faktor displacement sebesar cosinus . Telah diketahui bahwa faktor power yang berasosiasi dengan rectifier terkontrol menurun, dimana tegangan output searah menurun.
Salah satu misalnya yaitu pengendali motor searah yang dikontrol oleh thyristor converter. Seiring dengan menurunnya tegangan searah, untuk mengurangi laju motor searah, pada torsi konstan, faktor daya menurun dan dibutuhkan daya reaktif yang lebih besar pada sumber jala-jala ke konverter.
Keterbatasan Mudah Konverter Komutasi-line
Analisis di atas meliputi aspek-aspek teoritis dari konverter tak terkontrol dan terkontrol. Dalam praktiknya, komponen-komponen ini tidak ideal dan komutasi tidak sesaat (instantaneous). Ini menghasilkan deviasi tertentu dari kinerja teoritis. Salah satu deviasi ini yaitu bahwa arus beban searah tidak pernah mulus (smooth).
Penyebab :
- Menerima bahwa tegangan searah sesaat (instantaneous) tidak pernah benar-benar mulus, kalau beban benar-benar resistif, arus beban searah tidak pernah benar-benar mulus alasannya yaitu arus ini akan mengikuti secara linier tegangan searah.
- Demikian pula, pada delay angle yang lebih besar dari 60 derajat, tegangan output searah menjadi diskontinu dan demikian juga arus searah.
Perbaikan :
Dalam upaya mempertahankan suatu arus searah yang mulus, konverter simpel biasanya mempunyai induktansi Ld secara seri dengan beban pada sisi searah. Untuk benar-benar memuluskan, harga Ld harus tak tentu secara teoritis, yang tentunya tidak praktis.
Konsekuensi praktisnya yaitu bahwa rumus teoritis untuk harga tegangan searah hasil perhitungan (Vd = 1,35 V rms cosinus α) tidak seluruhnya benar untuk semua harga delay angle. Pengukuran simpel mengkonfirmasi bahwa hal itu benar hanya untuk delay angle sampai 75 derajat, akan tetapi hal ini bergantung pada tipe beban dan khususnya induktansi beban searah. Pengalaman memperlihatkan bahwa untuk sudut delay angle yang lebih besar daripada 60 derajat, tegangan searah rata-rata akan lebih tinggi daripada harga teoritis, ibarat yang diperlihatkan dalam Gambar 5-12.
Aplikasi untuk Rectifier Komutasi-Line
Salah satu aplikasi penting konverter komutasi lini yaitu motor drive searah. Gambar 5-13 memperlihatkan suatu konverter komutasi line tunggal terkontrol yang dihubungkan dengan armature suatu motor searah. Konverter ini memperlihatkan suatu tegangan searah berubah terhadap armature motor tersebut. Dengan cara inilah rangkaian kontrol konverter dipakai untuk mengubah kecepatan motor.
Jika delay angle konverter ditingkatkan ke suatu sudut yang lebih besar daripada 90 derajat, tegangan Vd akan menjadi negatif dan motor akan melambat sampai kecepatan diam. Arus Id juga menurun menjadi nol dan supply line sanggup diputuskan dari motor tanpa memutuskan arus.
Akibatnya, untuk menghentikan motor searah, delay angle harus diperbesar sampai mencapai harga yang leih besar daripada 90 derajat untuk memastikan bahwa tegangan Vd menjadi negatif. Dengan Vd negatif dan Id yang masih positif, konverter berperilaku sesaat ibarat sebuah generator dan menghasilkan suatu braking torque.
Disamping itu, hal ini berfungsi sebagai suatu brake untuk memperlambat motor dan bebannya dengan cepat ke suatu harga tetap. Dalam situasi ini, drive system disebut beroperasi pada kuadran kedua dimana motor bekerja pada arah forward. Konverter yang dibahas sejauh ini merupakan konverter tunggal, yang hanya sanggup beroperasi dengan arus tegangan searah (Id = +ve), yang berarti bahwa motor sanggup bekerja hanya pada arah forward tetapi suatu power aktif sanggup ditransfer pada dua arah. Konverter searah tunggal hanya sanggup beroperasi dalam kuadran 1 dan kuadran 4 dan dikenal sebagai konverter kuadran kedua.