31
Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semikonduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan
bentuk gelombang ini tidak terkait dengan sumber tegangannya.
2.3. Penyearah SPWM
Penyearah dioda dan penyearah thyristor yang dikendalikan sudut fasanya masih banyak digunakan dalam aplikasi tertentu karena faktor kesederhanaan dan
biaya yang rendah, tetapi penyearah jenis ini akan mengurangi kualitas daya pada sisi ac masukan yang disebabkan adanya kandungan harmonisa yang masih besar serta
faktor daya yang relatif rendah. Teknik modulasi lebar pulsa pada PWM banyak diterapkan pada aplikasi penyearah [1]. Konverter ac-dc yang menggunakan
penyearah SPWM beroperasi dengan menjaga frekuensi konstan dan waktu divariasikan, dengan demikian lebar pulsa bervariasi. Dengan teknik ini, penyearah
akan memiliki unjuk kerja yang lebih baik, diantaranya adalah distorsi arus masukan yang rendah, faktor daya yang tinggi, filter masukan relatif lebih kecil.
2.3.1. Prinsip kerja penyearah PWM
Prinsip dasar daripada penyearah SPWM satu fasa adalah mengatur waktu untuk mematikan atau menyalakan masing-masing IGBT pada jembatan penyearah.
Prinsip dasarnya dapat dijelaskan dengan mempergunakan Gambar 2.6 dimana IGBT pada gambar tersebut digantikan dengan S1, S2, S3 dan S4. Pada setengah siklus
gelombang pertama, S1 dan S2 akan tertutup pada waktu yang bersamaan S3 dan S4
Universitas Sumatera Utara
32
terbuka, arus akan mengalir melalui S1 melewati beban dan mengalir lagi melalui S2 menuju trafo. Pada setengah siklus berikutnya S1 dan S2 akan terbuka, pada saat
yang sama S3 dan S4 akan tertutup arus mengalir melalui S4 kemudian mengalir ke beban selanjutnya melewati S3 dan kembali lagi menuju trafo.
+
-
S3 S1
S2 S4
R
+
-
Tr
Vs
+ _
i
Vs
t
a
+ -
S3 S1
S2 S4
R
+ -
Tr
Vs
_ +
+
i
Vs
t
b
Gambar 2.6. Prinsip dasar dari penyerah PWM, a aliran arus setengah siklus pertama, b aliran arus setengah siklus kedua [1]
Universitas Sumatera Utara
33
Penyearah dikontrol dengan cara mengatur lebar pulsa konduksi IGBT yang merupakan sudut penyalaan gate. Sudut penyalaan gate ini dapat diartikan waktu
tunda untuk menutup S1 dan S2 atau S3 dan S4 menggunakan bentuk arus yang diperlukan. PWM akan menarik arus dari sumber hampir mendekati bentuk
gelombang sinusoidal. PWM tipe kontrol yang sangat baik digunakan untuk meningkatkan faktor kerja penyearah dan mengurangi harmonisa arus masukan,
karena tipe kontrol PWM dapat dinyalakan dan dimatikan beberapa kali setiap setengah siklus, sehingga dapat meredam harmonisa yang timbul pada arus masukan.
Rangkaian daya penyearah PWM satu fasa jembatan penuh ditunjukkan pada Gambar 2.7. Berdasarkan bentuk gelombang tegangan antar lengan penyearah, VAB,
ada dua macam pola penyakelaran PWM, yaitu: PWM satu kutub Unipolar PWM, dan PWM dua kutub Bipolar PWM [1].
Dengan pola penyakelaran PWM dua kutub, saklar yang berpasangan secara diagonal S1 dan S2 atau S3 dan S4 dinyalakan secara serentak dan saklar-saklar
dalam setiap lengan dinyalakan secara berlawanan complementary sehingga tegangan antar lengan penyearah VAB bernilai +Vo dan
–Vo. Keempat saklar dioperasikan pada frekuensi penyakelaran konstan, fs. Jika perioda pensaklaran
dinyatakan dengan Ts Ts = 1fs, siklus kerja saklar S1 dan S2 dinyatakan dengan d, dan siklus kerja saklar S3 dan S4 adalah 1-d dimana:
Universitas Sumatera Utara
34
V
s
I
s
V
L
L T1
T2 T4
T3 C
+ P
N Vo
V
AVE
+ Load
Gambar 2.7. Rangkaian ekuivalen penyearah jembatan PWM satu fasa [10]
Adapun prinsip kerja dari keempat saklar pada rangkaian ekuivalen penyearah SPWM Gambar 2.7 dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Selama 0 ≤ t ≤ dTs, Saklar S3 dan S4 terhubung ON, arus Is mengalir dari
jala-jala sumber Vs melalui Ls, S4, C, S3 dan kembali ke jala-jala. Pada interval waktu ini magnituda arus induktor naik dan energi disimpan dalam
induktor. Rangkaian ekuivalen untuk keadaan ini ditunjukkan pada Gambar 2.8:
S4 S3
V
o
i
o
R
L
C4 i
4
i
dc
i
s
V
s
i
s
V
L
_ +
L
s
+
_
Gambar 2.8. Rangkaian ekuivalen PWM untuk setengah siklus positif pertama [11]
Universitas Sumatera Utara
35
Persamaan arus yang mengalir pada rangkaian ditunjukkan dalam Persamaan 2.3 dan 2.4:
2. Selama d.Ts ≤ t ≤ Ts, S3 dan S4 tidak terhubung off, S1 dan S2 terhubung,
arus Is mengalir dari jala-jala sumber Vs melalui L, D1, beban, D2, dan kembali ke jala-jala. Pada interval waktu ini, arus induktor turun dan energi
dari induktor dipindahkan ke beban. Pada saat yang sama, arus dari kapasitor C mengalir juga ke beban. Rangkaian ekuivalen untuk moda operasi ini
ditunjukkan pada Gambar 2.9:
D1
V
o
i
o
R C
i
c
i
s
V
s
i
s
V
L
_ +
L
s
D2 +
_
Gambar 2.9. Rangkaian ekuivalen PWM untuk keadaan setengah siklus positif kedua [11]
Universitas Sumatera Utara
36
Persamaan arus yang mengalir adalah:
Bentuk gelombang tegangan dan arus dari penyearah pada setengah siklus positif jala-jala ditunjukkan pada Gambar 2.10:
ΔI Ip0
I1 Ip1
S3S4 ON S1S2
ON S3S4 ON
Vs-Vo Vs+Vo
VL ID1=ID2
Is4=Is3 IL=Is
Vgate
d.Ts 2-d.Ts
Ts t
t t
t
t
Gambar 2.10. Bentuk gelombang tegangan dan arus penyearah PWM pada setengah siklus positif [11]
Universitas Sumatera Utara
37
Untuk operasi frekuensi konstan, tegangan rata-rata dari induktor selama satu siklus pensaklaran dalam kondisi setengah mantap quasi steady-state adalah
seimbang, yaitu [11]:
atau:
sehingga:
dimana: d = siklus kerja saklar S2 dan S3
Is = arus masukan Vs = tegangan masukan
Vo = tegangan keluaran V
L
= tegangan inductor t
ON
= waktu terhubung saklar S2 dan S3 t
OFF
= waktu padam saklar S2 dan S3. 2.3.2. Pengaturan pulsa gate IGBT
Skema pengaturan lebar pulsa pada penyearah SPWM satu fasa dapat dilihat pada Gambar 2.11:
Universitas Sumatera Utara
38
Pengontrol tegangan
×
Pengontrol arus
T1, T2 T3, T4
i
s ref
v
s
i
s
+ -
v
o
V
o ref
+ -
Gambar 2.11. Skema rangkaian kontrol penyearah PWM jembatan [26]
Peralatan kontrol penyearah PWM ini termasuk di dalamnya adalah sebuah pengontrol tegangan, pengontrol proportional integral PI yang mengatur jumlah
daya yang yang diperlukan untuk memperbaiki tegangan dc keluaran agar nilainya tetap. Pengontrol tegangan menyalurkan besar amplitude arus masukan, oleh sebab
itu untuk mendapatkan arus referensi i
sref
maka keluaran dari pengontrol tegangan dikalikan dengan sinyal sinusoidal yang fasanya sama dengan tegangan sesaat
sumber. Setelah itu i
sref
dikurangi derngan arus input sesaat untuk mendapatkan pengontrol arus dan memperoleh sinyal gate masing-masing lengan IGBT.
Sebagai penghasil arus gate untuk mematikan dan menghidupkan IGBT dilakukan dengan memodulasi gelombang segitiga triangle wave dan gelombang
tegangan input untuk penyearah PWM diatur tegangan atau arus diatur arus yang sinusoidal. Modulasi yang dilakukan oleh gelombang carier dan gelombang referensi
dapat dilihat pada Gambar 2.12:
Universitas Sumatera Utara
39
0.06 0.07
0.08 0.09
0.1 0.11
0.12 -350
-220 200
350
FFT window: 5 of 20.43 cycles of selected sig
Time s
V v
o lt
V carier V ref
Gambar 2.12. Modulasi gelombang referensi dengan gelombang carier segitiga [27]
Pada Gambar 2.12, sebagai gelombang referensi adalah gelombang sinusoidal sehingga disebut Sinusoidal Pulse Width Modulation SPWM yang menggunakan
carier berupa gelombang segitiga untuk menghasilkan sinyal gate SPWM. Hasil dari modulasi tersebut adalah gelombang persegi yang bervariasi lebar pulsanya sesuai
dengan fungsi waktu gelombang referensi seperti ditunjukkan Gambar 2.13 berikut ini.
0.06 0.07
0.08 0.09
0.1 0.11
0.12 -350
-220 200
350
FFT window: 5 of 20.43 cycles of selected sig
Time s
V v
o lt
Pulsa gate V ref
Gambar 2.13. Gelombang persegi keluaran modulasi antara gelombang referensi dan gelombang carier [27]
Universitas Sumatera Utara
40
Untuk membuat penyearah SPWM bekerja dengan baik sesuai fungsi penyearahan yang dihasilkannya, maka referensi SPWM harus menggunakan tegangan yang
frekuensi fundamentalnya sama dengan frekuensi tegangan sumber v
s
. Perubahan terhadap amplitude gelombang fundamental referensi ini dan dengan mengatur sudut
fasanya sesuai dengan amplitude dan fasa sumber, akan membuat fungsi penyearahan beroperasi pada empat kuadran, yaitu: penyearah faktor daya leading, penyearah
faktor daya lagging, dan inverter faktor daya leading dan inverter faktor daya lagging. Dengan merubah keluaran dari modulasi akan mempengaruhi perubahan
amplitude carier dan SPWM membuat pebaikan faktor daya atau sudut fasa. Fungsi SPWM seperti ini dapat menjadi pengatur faktor daya sistem yaitu aktif, reaktif dan
nol. 2.3.3. Pengaturan tagangan DC keluaran
Pengaturan tegangan DC keluaran bertujuan mengatur agar tegangan DC keluaran sesuai dengan keinginan dan beban yang terpasang. Dengan
menggabungkan efek semua pulsa yaitu jika pulsa m mulai dari sudut
t
=
m
, sepanjang Ts dimana lebar pulsa diumpamakan
m
, nilai rata-rata tegangan keluaran bergantung pada jumlah pulsa p, yang didapatkan dari Persamaan 2.9:
Universitas Sumatera Utara
41
Pengaturan tegangan keluaran dc dapat dilakukan dengan cara membuat umpan balik dari tegangan keluaran kepada tegangan fundamental referensi V
o,ref
dan selisih sinyal yang diperoleh dari perbandingan kedua sinyal tersebut digunakan untuk
menghasilkan pulsa gate yang tepat untuk konduksi IGBT. Gelombang referensinya adalah gelombang sinusoidal yang mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi
tegangan sumber.
2.4. Perhitungan Harmonisa
