Bab 12Rectifier Kendali Tiga Fasa

(Three Phase Controlled Rectifiers)

Oleh:Adhi Ksatria Theogapa (115090013)

Muhammad Fahmy Akbar (115090015)

12.2 Line-Commutated Controlled Rectifiers

• 12.2.1 Three-Phase Half-Wave Rectifier

Gambar di atas merupakan topology rectifier tiga fasa setengah gelombang. Power supply dan transformator diasumsikan ideal. Thyristor akan aktif (ON) ketika tegangan anoda-to-katoda bernilai positif dan ketika pulsa arus iG

terhubung dengan terminal gate.

Dengan bantuan gambar di atas, dapat dihitung nilai dari tgangan rata-rata beban dengan persamaan sebagai berikut

Gambar di samping sangat berguna untuk mendesign sebuah power transformer, dimulai dari

Dimana VAprim dan Vasub

adalah rating dari tranformer primer dan sekunder. Sedangkan PD adalah daya transfer ke sisi DC.

• 12.2.2 Six-Pulse or Double Star Rectifier

Rectifier jenis ini memiliki tegangan langsung yang lebih besar daripada jenis rectifier setengah gelombang. Dengan nilai tegangan rata-rata dirumuskan sebagai berikut.

• 12.2.3 Double Star Rectifier with Interphase Connection

Topologi ini digunakan pada dua buah rectifier setengah gelombang yang disusun secara parallel, dan topologi ini sangat berguna ketika dibutuhkan arus DC yang besar. Nilai tegangan rata-ratanya sebagai berikut.

• 12.2.4 Three-Phase Full-Wave Rectifier or Graetz Bridge

Rectifier gelombang penuh tiga fasa (Jembatan Graetz) menerapkan prinsip koneksi seri melalui interphase transformers. Akibatnya, rectifier jenis ini dapat diaplikasikan pada suatu sistem dengan tegangan yang cukup tinggi. Bagian yang terhubung dengan common katoda menghasilkan tegangan positif. Sedangkan bagian common anoda menghasilkan tegangan negatif.

Gambar di atas merupakan bentuk output dari sinyal tegangan yang dikeluarkan oleh Jembatan Graetz.

Sedangkan tegangan rata-rata beban dirumuskan sebagai berikut.

Gambar di atas merupakan bentuk keluaran sinyal arus dari Jembatan Graetz Bridge.

• 12.2.5 Half-Controlled Bridge Converter

Converter jenis ini akan berfungsi sebagai rectifier ketika sudut tembak dari thyristor α < 900. Sedangkan berfungsi sebagai inverter ketika sudut tembak dari thyristor α > 900

Nilai tegangan rata-rata beban dari rangkaian jenis ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

• 12.2.6 Commutation

Tegangan rata-rata beban dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut.

• 12.2.7 Power FactorFaktor Perpindahan arus dapat dicari dengan persamaan sbb.

Sedangakan daya aktif yang dikirimkan per fasa oleh supply sinusoidal adalah

Untuk Power Faktor sendiri dirumuskan sebagai berikut

12.3 Force-Commutated Three-Phase Controlled Rectifiers

12.3.1 Topologi Dasar dan Karakteristiknya

• Force-commutated rectifiers dibuat dengan semikonduktor, dengan kemampuan gate-turn-off, yang memberikan kendali penuh pada konverter, karena valve dapat berubah ON-OFF ketika dibutuhkan. Hal ini menyebabkan komutasi pada valve ratusan kali dalam satu periode, yang tidak memungkinkan dengan line-commutated rectifiers, transistor berubah ON-OFF hanya sekali dalam satu siklus. Keadaan ini memberikan keuntungan, yaitu:

• (a) Arus atau tegangan dapat dimodulasi (Pulse Width Modulation atau PWM).• (b) Power factor dapat dikendalikan.• (c) Rectifiers dapat dibuat sebagai sumber tegangan atau sumber arus.• (d) Power reversal di dalam thyristor rectifiers adalah hasil dari tegangan balikan

pada DC link.Ada dua cara untuk menerapkan force-commutated rectifiers tiga fasa, yaitu:

• (a) Sebagai rectifier sumber arus, dengan power reversal berasal dari tegangan DC balikan.

• (b) Sebagai rectifier sumber tegangan, dengan power reversal berasal dari arus balikan pada DC link.

Gambar 12.35 Topologi dasar untuk force-commutated PWM rectifiers: (a) rectifier sumber arus; dan (b) rectifier sumber tegangan

12.3.2 Operasi dari Rectifier Sumber Tegangan

• Rectifier sumber tegangan dioperasikan dengan menjaga tegangan DC sesuai nilai referensi, dengan menggunakan loop kontrol umpan balik.

Gambar 12.36 Prinsip operasi dari rectifier sumber tegangan

• Pada gambar diatas terlihat tegangan DC diukur dan dibandingkan dengan tegangan referensi VREF. Sinyal error dibangkitkan dari pembandingan ini dan digunakan untuk men-switch 6 valve pada rectifier ON and OFF. Dalam hal ini, daya dapat muncul dan hilang ke sumber AC tergantung kebutuhan tegangan DC. Tegangan VD diukur pada kapasitor CD.

• PWM control tidak hanya mengatur daya aktif, tetapi juga daya reaktif, dengan rectifier dimungkinkan untuk mengoreksi power factor. Dalam suatu kondisi, bentuk gelombang arus AC dapat dibentuk menyerupai gelombang sinusoidal, dengan cara mereduksi gelombang harmonisa pada catu daya utama.

• PWM pattern ini adalah bentuk gelombang periodik utama, yang amplitudonya disebut VMOD.

Gambar 12.37 PWM pattern dan fundamental VMOD

• Untuk membuat rectifier bekerja, PWM pattern harus membangkitkan sebuah fundamental VMOD dengan frekuensi yang sama sebagai sumber tegangan, Mengubah amplitudo dan phase-shift dari fundamental ini, dapat mengontrol rectifier beroperasi di 4 kuadran: leading power factor rectifier, lagging power factor rectifier, leading power factor inverter, dan lagging power factor inverter.

Gambar 12.38 Mengubah VMOD melalui PWM pattern

Gambar 12.39 Operasi 4 kuadran dari force-commutated rectifier: (a) PWM force-commutated rectifier; (b) rectifier operation at unity power factor;

(c) inverter operation at unity power factor; (d) capacitor operation at zero power factor; dan (e) inductor operation at zero power factor.

• Pada gambar di atas, Is adalah nilai rms dari sumber arus is. Aliran arus ini melewati semikonduktor dengan arah yang sama seperti gambar di bawah ini:

Gambar 12.40 bentuk gelombang arus melewati pusat, valves, dan DC link.

• Untuk memiliki kendali penuh dari operasi rectifier, ada 6 dioda yang harus dipolarisasi negatif untuk semua nilai catu daya tegangan AC seketika. Sebaliknya, dioda akan terkonduksi, dan PWM rectifier akan berlaku seperi common diode rectifier bridge. Cara untuk menjaga dioda terblok adalah memastikan tegangan DC link lebih besar daripada tegangan DC puncak yang dibangkitkan oleh dioda sendiri, seperti gambar di bawah ini:

Gambar 12.41 Kondisi direct current link voltage untuk operasi dari PWM rectifier.

12.3.3 PWM Phase-to-Phase and Phase-to-Neutral Voltages

• Bentuk gelombang PWM yang ditunjukkan sebelumnya menunjukkan tegangan terukur di antara titik tengah dari tegangan DC dan fasanya.

• Tegangan phase-to-phase PWM dapat dijeleaskan pada persamaan ini:

• dan adalah tegangan terukur di antara titik tengah dari tegangan DC, dan fasa A dan B berturut-turut.

• Tegangan phase-to-neutral dapat dijelaskan pada persamaan ini:

• adalah tegangan phase-to-neutral untuk fasa A, dan adalah tegangan phase-to-phase di antara fasa j dan fasa k.

Gambar 12.42 tegangan fasa PWM: (a) modulasi fasa PWM; (b)tegangan phase-to-phase PWM; dan (c) tegangan phase-to-neutral PWM.

12.3.4 Control of the DC Link Voltage

• Gambar 12.43 Voltage-source current-controlled PWM rectifier.

12.3.4.1 Voltage-Source Current-Controlled PWM Rectifier

• Metode kendali ditunjukkan pada gambar di atas. Kendali dicapai dengan pengukuran arus fasa saat itu denagn arus sinusoidal referansi Iref. Amplitudo arus referensi Imax ditunjukkan dengan rumus:

• GC pada gambar 12.43 menunjukkan kontroler PI, P, fuzzy atau yang lainnya. Bentuk gelombang sinusoidal dijelaskan dengan mengalikan Imax denagn sebuah fungsi sinus yang sama frekuensinya, dan dengan sudut pergeseran fasa j.

Gambar 12.44 Fungsi transfer loop tertutup dari rectifierdengan:

• G1(s) dan G2(s) merepresentasikan fungsi transfer dari rectifier. ΔP1(S) dan ΔP2(S) merepresentasikan input dan output rectifier dalam domain Laplace, V adalah nilai rms, IS adalah arus input, LS adalah induktansi input, R adalah resistansi di antara converter dan power supply.

• Pada kriteria kestabilan, dengan kontroler PI, didapat hubungan:

Gambar 12.45 Metode kendali modulasi: (a) periodical sampling;(b) hysteresis band; dan (c) triangular carrier.

• Nilai didapat dengan persamaan:

• Untuk mendapatkan performansi dinamis yang bagus, didapat dengan persamaan:

• dengan LS adalah induktansi seri total dari rectifier, ω adalah frekuensi carrier triangular, dan VD adalah tegangan Dc link dari rectifier.

• Untuk mengukur level distorsi, didapat melalui persamaan:

• Bentuk gelombang dari arus dibangkitkan dengan 3 metode kontrol, seperti dijelaskan melalui gambar 12.46:

Gambar 12.46 Bentuk gelombang diperoleh dengan menggunakan frekuensi switching dan induktansi sebesar 13 mH; (a) Metode periode

sampling; (b) Metode hysteresis band; (c) Metode triangular carrier (kP + kI); dan (d) Metode triangular carrier (kP).

Gambar 12.47 Perbandingan distorsi dari sebuah arus referensi sinusoidal

12.3.4.2 Voltage-Source Voltage-Controlled PWM Rectifier

Gambar 12.48 Diagram satu fasa dari rectifier sumber tegangan

• dengan nilai is(t), v(t), vMOD(t), didapat melalui persamaan berturut-turut di bawah ini:

Gambar 12.49 Implementasi dari voltage-controlled rectifier untuk operasi

unity power factor.

• Dibawah kondisi steady-state, Imax adalah konstan, dan nilai VMOD ditentukan dengan diagran fasor:

Gambar 12.50 Operasi steady-state dari unity power factor rectifier,under different load conditions.

• Dengan VMOD sinusoidal template, sebuah metode modulasi untuk mengkomutasikan transistor diperlukan, yang dikenal dengan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM), dengan menggunakan sinyal carrier triangular untuk membangkitkan PWM.

Gambar 12.51 Metode modulasi sinusoidal berdasarkan sinyal carrier triangular

Gambar 12.52 Spektrum harmonik untuk modulasi SPWM• Nilai m (indeks modulasi) dan p (rasio frekuensi modulasi), didapat

dengan:

Gambar 12.53 Berbagai bentuk gelombang arus dengan nilai p yang berbeda

12.3.4.3 Voltage-Source Load-Controlled PWM Rectifier• Metode sederhana untuk mengendalikan PWM rectifiers mini (up to 10–20kW)

berasal dari kendali langsung arus DC.

Gambar 12.54 Voltage-source load-controlled PWM rectifier• Tegangan VMOD dimodulasi oleh rectifier dengan pola PWM yang unik, yang dapat

menyeleksi gelomabng harmonik yang tidak diperlukan. Jika nilai PWM tidak berubah, dpat disimpan di memori digital permanen (ROM). Sistem kendali berdasarkan perubahan sudut daya δ di antara tegangan utama V dengan tegangan PWM VMOD. Ketika δ berubah, jumlah aliran daya dari AC ke DC juga berubah. Ketika sudut daya berubah negatif (VMOD lags V), aliran daya berpindah dari sisi AC ke DC. Ketika sudut daya berubah positif (VMOD lags V), aliran daya berpindah sebaliknya. Kemudian sudut daya dapat dikontrol melalui arus ID.

12.3.5 New Technologies and Applications of Force-Commutated Rectifiers

12.3.5.1 Filter Daya Aktif• Force-commutated PWM rectifiers dapat bekerja sebagai filter daya aktif.

Voltage-source current-controlled rectifier dapat menghilangkan gelombang harmonik yang dihasilkan dari polluting loads yang lainnya, seperti gambar di bawah ini:

Gambar 12.55 Voltage-source rectifier dengan kemampuan menghilangkan gelombang harmonik

12.3.5.2 Frequency Link Systems

• Sistem jaringan frekuensi memperbolehkan daya ditransfer dari satu frekuensi ke frekuensi lainnya. Line-commutated converters digunakan secara luas pada aplikasi ini, tetapi masih memiliki kekurangan pada line-commutated converters dapat mengeliminasinya. Sebagai contohnya, syarat harmonik filter, power filter yang kurang baik, dan jebutuhan untuk menghitung dengan sebuah kompensator sinkron ketika membangkitkan mesin saat beban kosong.

• Gambar 12.56 Frequency link systems with line-commutated converters in 60-Hz load is fed by a 50-Hz supply.