Minimisasi Riak Arus Keluaran Penyearah Daya-besaran dengan Menggunakan Filter Aktif

Output currcnt ripplc rninimization ol'high-powcr rectilicrs by using active lilter

A new mcthod to nrinimize thc output current ripplc o[ high-gxrwer rectillcrs by using a dc activc powcr liltcr is prescntccl in this papcr. Bocause thc aclivc llltcr is connectcd in parallccl to thc krad. thc currcnt raling ol'the l'iltcr is vcry small, that is as small as thc ripplc which rs going to hc conrl>cnsatccl.. Molcovcr, bccausc thc activc filtcr"is scrics c<.inncctccl lo thc cxisting passivc llltcr caPacitor, thc voltagc rating ol'thc activc liltcr'is also vcry small, that is ds small as thc voitagc ripplc which is going to hc conrpcnsatcd. A contrtrl technique lbr thc activc lilter is proposcd in this papcr. Valitlity o[thc proposcd rncthod is vcrillccl by simulatcd ancl cxpcrinrcntal rcsults.

Key u,ords: ut tive Jilter, ret:tifier, cotilrol te< hrique, ripple niritnii.dtiot\ (otilrol sy.ttctn.

I Pendahuluan

Pcnycarah daya bcsar banyak digunakan dalarrr industri sebagai pcngisi batcrai, catu-daya proscs clcktrokimia, pengcndali kcccpatan mot()r. protcksi kat(xlik, dan catudaya ntagnct. Untuk daya yang besar, pcnycarah yang digunakan biasanya pcnyearah thyristor (ika tcgangan dc keluarannya harus tcrkendali) atau penyearah dioda (ika tegangan yang tctap cukup rncrnadai). Karena riak legangan dan anrs kcluararr dari pcnycarah sernacarn ini masih tcrlalu bcsar unnrk banyak aplikasi, pcrlu diplrsang filter untuk rncnguranginya. Filtcr yang digunakan umumnya bcrupa liltcr pasif t,C. Akan tctapi, jika riak ntaksirnunr yang diizinkan sangat kccil, llltcr pasif yang diperlukan akan sangat besar dan mahal. Selain itu, filter pasif yang bcsar akan rncmbuat ellsicnsi penyearah menurun scrta mempunyai tanggapan yang lambat dan cenderung berosilasi. Penyearah dcngan riak ants keluaran yang kecil banyak diperlrrkan dalarn laboratoriurn dan catu-daya magnel I I -4 I.

Salah satu cara untuk rucngurangi riak anrs keluaran tanpa lncr)ggunakan filtcr pasif yang besar adalah dengan meningkatkan junilah pulsa keluaran lrenyearah l5l. Jumlah pulsa yang digrnakan urur.ur)nya 6,12, 18, atau 24 pulsa. Sayangnya, cara ini hanya cfektil'jika surnber tiga-fasanya sctirnbang. Jika tegangan surrrbcr tigalastnya tidak sctirnbang. riak kcluaran rlcngan lrckucnsi rcndah akan tctap kcluar, walaupun kita tclah mcnggunakan pcnycarah pulsa banyak l6-71. Akibatnya, filtcr pasil yang tliperlukan rnasih tctap bcsar. Sclain itu, pcnycarah pulsa banyak nlcrncrlukan tralb tiga-lasa yang kornplcks dan lulahal.

Ctra lain untuk rncngurangi riak keluaran tanpa mcnggunakan filtcr pasif yang bcsar adalah dcngan l.rrenggunakan filtcr aktil' l8-101. Filter aktil konvcnsiorral dircalisasikan dcngan lllcrnasang suatu konvcrtcr elcktronika yang tcrpasang scri dcngan bcban. Filtcr ini dikcndalikan scdcrnikian rupa sehingga filtcr akan mcnghasilkan riak tegangan yang rnclawan riak tcgangan yang dihasilkan pcnycarah. Filtcr aktif bisa direalisasikan dengan lncnggunakan konvcrter elcktronika yang bekerja dalam rnode linicr [8'91 atau switching [01. Kclcmahan utarna filtcr aktif konvcnsional irri adalah hubungan seri antara filtcr aktif dengan bcban. Karena terhubung seri, kapasitas arus filter aktif paling tidak hanrs san)a dcngan kapasilas arus bcbixl. Oleh scbab ilu. cara ini tidak cocok untuk penerapan yang memcrlukan arus besar.

Dalaru tulisan ini diusulkan suatu topologi baru filtcr aktii. Filter aktil ini terhubung paralel dengan bcban sehingga kapasitas anrs filter aktif yang diperlukan tidak terlalu hesar (sarna dengan bcsar riak anrs yang ingin dikornpen.sasi). Sclain itr.r, karcna (iltcr aktif ini dipasang seri dcngan filter kapasitor yang biasanya sudah ada, kapasitas tegangan lilter

aktif yang diperlukan juga tidak terlalu besar (sama dengan riak tegangan yang dikompensasi). Karena tegangan dan arus filter aktif ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan tegangan dan arus beban, maka filter ini cocok untuk meminimumkan riak keluaran penyearah daya besar. Cara mengendalikan filter aktif ini diusulkan. Validitas metode yang diusulkan diuji dengan simulasi dan percobaan.

2 Metode konvensional

Sebelum membahas metode yang diusulkan, ada baiknya kita membahas lebih dulu metode konvensional. Gambar I memperlihatkan skema penyearah thyristor tiga-fasa enam-pulsa yang dilengkapi filter pasif LC di sisi keluarannya. Hasil simulasi tegangan dan arus keluaran penyearah pada tegangan sumber setimbang dan tak setimbang diperlihatkan di Gambar 2(a) dan (b). Data simulasi diberikan di Tabel 1. Gambar ini menunjukkan bahwa tegangan dan arus beban yang rata pada keadaan setimbang menjadi tidak rata saat tegangan sumber tak setimbang. Pada kondisi setimbang, frekuensi riak keluaran terendah adalah enam kali frekuensi sumber, yaitu 300 Hz. Akan tetapi, pada keadaan tak setimbang, frekuensi riak keluaran terendah bisa 50 atau 100 Hz (tergantung pada jenis ketidaksetimbangannya). Dalam simulasi, kondisi tak setimbang diciptakan dengan menyisipkan induktor 5 mH ke salah satu fasa sumber. Akibatnya, filter LC yang telah dirancang agar efisien dalam meredam riak frekuensi 300 Hz menjadi tidak efisien jika riak yang ada mengandung frekuensi 100 Hz. Akan tetapi, jika filter LC dirancang agar juga bisa meredam riak frekuensi rendah, ukuran filter LC yang diperlukan akan sangat besar.

Tabel 1. Data simulasi

Gambar 1 Skema penyearah tiga-fasa

Gambar 2 Hasil simulasi pada tegangan sumber (a) setimbang dan (b) tak setimbang

meminimisasi riak frekuensi rendah menggunakan filter LC yang besar, pemasangan filter aktif seperti yang terliat di Gambar 3(a) telah diusulkan di pustaka [8-10]. Gambar 3(b) memperlihatkan rangkaian ekivalen sisi de dari Gambar 3(a). \(V_d\) menyatakan nilai rata-rata (komponen dc) dan \(\tilde{v}_{or}\) menyatakan riak pada tegangan filter kapasitor. Jika filter aktif dikendalikan sedemikian rupa sehingga menghasilkan riak tegangan \(\widetilde{v}_h = -\widetilde{v}_{or}\) maka tegangan beban tidak lagi mengandung riak. Pada sistem ini, filter pasif LC berfungsi untuk mengurangi riak frekuensi tinggi dan filter aktif untuk mengurangi riak frekuensi rendah. Oleh sebab itu, ukuran filter pasif yang diperlukan tidak terlalu besar. Filter aktif ini bisa diimplementasikan dengan rangkaian konverter daya mode linier maupun switching. Seperti telah disinggung sebelumnya, hubungan seri antara filter aktif dengan beban menyebabkan kapasitas arus filter aktif paling tidak harus sama dengan arus maksimum beban, walaupun tegangannya sendiri rendah, yaitu sama dengan tegangan riak yang dikompensasi. Karena kapasitas arus yang diperlukan besar, penerapan metode ini untuk arus yang sangat besar akan kompleks dan tidak cfisien.

b

d

Gambar 3 Minirnisasi riak arus keluaran dengan filter aklif konvensional (a) Skema dan (b) Rangkaian ekivalen

Nletode yang diusulkan

Untuk rucrnaharni rnctotlc yang diusulkan, rnari kita tinjau rangkaian pcngganLi di Gitrnbar 3(b). Fungsi filtcr aktif adalah nrcnghasilkan tcgangan yang rnclawan tegangan riak yang dihasilkan di liltcr pasif kapasitor. Selarna llltcr aktif sccara cfcklit tcrhubungan seri dcngan kapasitor, uraka Jxrsisi yang scbcnarnya dari llltcr aktil' tidak akan rncngubah kincrja sistcrn. Olch scbab itu, posisi filtcr aktil dapal" dipindahkan kc posisi scpcrti torlihat di Garnbar 4(a). Rcalisasi dari skcrna di Garnbar .l(a) dipcrlihatkarr di Garnhar ,+(b). Terlihat di ganrbar ini bahwa filtcr aktil-tcrhubungan scri dengarr llllcr kapasitor. Jika filtcr aktif dikcndalikan scdemikian rupa sehingga mcnghasilkan tcgangan riak yang ntclawan tegangan riak di filtcr kapasitor, maka tcgangan bcban akan bcbas dari riak. Akan tctapi, bcberbcda tlcngan Gaurbar 3, posisi filtcr aktif di Gantbar .t bcrada paralel dengan bcban schingga arus yang mengalir di llltcr aktil tidak sama dcngan ams bcban, letapi hanya scbcsar riak arus yang dikompensasi. Olch scbab itu, tegangan dan arus dari filtcr aktif di Garnbar .4 kcduanya sama-sama kecil, yaitu san)a dcngan tegangan dan arus riak yang dikornpensasi. Pada flltcr aktif di Gambar 3, arus keluaran tilter aktif bcrsifat searah (dc), sedangkan tegangannya bolak-balik. Oleh scba itu, hlter aktif di Gambar 3 bisa direalisasikan dengan sebuah transistor yang bekerja dalam mode linier atau menggrrnakan chopper arus dua kuadaran [101. Bcrbeda dengan liltcr aktif di Garnbar 3, filter aktif di Garnbar 4 harus menghasilkan tcgangan dan anrs keluaran yang bolakbalik (ac). Olch scbab itu, filter aktif di Garnbar 4 harus direalisasikan dcngan sebuah inverter. Inverter ini bisa

direalisasikan dengan menggunakan anpLifter (inverter) Iinier maupun switching. Perlu dicatat bahwa sumber dc bagi filter aktif tidak harus benar-benar ada, tetapi bisa direalisasikan dengan hanya menggunakan scbuah kapasiIor. Tegangan di kapasitor ini bisa dikendalikan dengan sedikit rnenn)difikasi sinyal kendali filter aktif.

Gambar 4 (a) Posisi alternatif dari filter aktif . (b) Skema filler aklif yang diusulkan

Skerna sistem kcndali dari filter aktif yang diusulkan di Gambar 4 dipcrlihatkan di Gambar 5. Sistem kendali ini ditujukan untuk menghasilkan pcnycarah dengan ams kcluaran terkendali. Untuk rncnghasilkan ilms kcluaran yang terkendali, arus beban yang sebenarnya dibandingkan dengan ams acuan. Hasil perbandingan arus ini diolah oleh pengendali PI untuk rnenghasilkan tegangan acuan (tegangan beban atau tegangan di filter kapasitor yang diinginkan).

Gan'tbar 5 Skema peng€ndalian penyearah dan filler aktif

Hasrl pc.rhartdirtgirn irlrliira tcgarlgarr kapasitor yang scbcnarnya ilcrrgan tcgirrltan acuan diolah olch pcngcndaii Pl urrirrk incncnlrrkan sudrrI pcnyalaan tit.yri,stor. Dalarrt sistcrn irri, thyril;rcr dikcndalikarr dcngan algorilrna inrtr',rL t'tt.:int' agar pcnycarah incrnpunyai kinicr-ja ylng bcrrsil'al lirticr. Cara rncrancang pcrrgcndali pcnvcrrah scrnacarl ini tclah banyak dilaporkan di ltustaka I I I l-l l2l.

Gambar 6 Hasil simulasi penyearah yang dilengkapi filter aktif pada tegangan sumber

• Tegangan sumber selimbang
• Tegangan sumber lak selimbang (b)

Sinyal bagi llltcr aktil'juga didapar dari hasil pcrbandingan tcgallgan acuan dcngan tcgangan kapasitur. Pada kcatlaan lnantap, sclisih anlara tcgangan acuan tlan tcgangan scbcnarnya nrcnyatakan riak togangan di kalrasitor. Riak tcgangan ini sclanjutnya dibirrrtlingkan dcngirn sinyal scgiriga l'rckucnsi tinggi untuk rnonuntukuu sinyal pcnyxlnuu transistor filtcr aktil.

Gambar 6 mcrnpcrlihalkan hasil sirnulasi dari pcnycarah dcngan daua yang sama scpcrti tcrlihat di Tabcl l, tcLapi sckarang dilcngkapi lllter aktil'. F'rckucnsi ,swi.tt-hing l'lltcr aktif yang digunakan adalah l0 kHz. Tcgangan surnbcr llltcr aktif diasrrrnsikan scbcsar l0 Vdc. Hasil sirnulasi ini rncnunjukkan bahwa ants di bcban masih tctap rncndckati dc lnurni, walaupun tcgangan surnbcrrrya tak sctirnbang. Filtcr aktif bisa sccara clbktil rncrninirnurnkan riak lickucnsi rcndah yang dihasilkan pcnycarah.

4 Hasil percobaan

Untuk rncnguji validitas rnctodc yang diusulkan, suatu sisterrr percobaan scderhana telah dilakukan dcngan skcrna scpcrl.i terlihat di Ganrbar 7. Penycarah tiga-fasa yang digunakan adalah pcnycarah dioda tiga-lasajcrnbatan pcnuh. Filtcr aktil' dircalisasikrur dcngan invcrtcr IGBT yang dioperasikan dcngan lickuensi st4,itching Q'arrier) 15 kHr. Surnbcr tegangan bagi filter aktif didapat dari pcnycarah dioda kecil satu-fasa. Data pcrcobaan dibcrikan di Tabcl 2. Kctidakscirnbangan surnbcr diciplakan dcngan rnenyisipkarr induktor 3 mH di salah satu lasa surnber.

Tabel 2 Dala percobaan

Gambar 7 (a) Skema percobaan (b) Rangkaian kendali

Filter aktif dikendalikan secara sederhana dengan menggunakan skema kendali seperti terlihat di Gambar 7. Tegangan di filter kapasitor dideteksi dan hasilnya diproses oleh filter low-pass untuk mendapatkan komponen de-nya. Selisih antara komponen de dan tegangan sebenarnya dari filter kapasitor menyatakan tegangan riak di kapasitor. Riak ini selanjutnya dibandingkan dengan sinyal segitiga frekuensi tinggi untuk mengendalikan penyalaan transistor filter aktif.

Gambar (8a) memperlihatkan teganan dan arus beban pada tegangan sumber yang tak setimbang saat filter aktif belum dihubungkan ke rangkaian. Gambar 8(b) memperlihatkan spektrum arus beban. Gambar ini menunjukkan bahwa pada tegangan sumber yang tidak setimbang, arus beban mengandung riak frekuensi rendah (100 Hz) yang cukup besar. Riak frekuensi rendah ini tidak akan muncul jika tegangan sumbernya setimbang.

Gambar 9 (a) dan (b) menunjukkan hasil percobaan saat filter aktif dihubungkan ke penyearah. Gambar 9(a) menunjukkan tegangan beban, tegangan kapasitor, tegangan filter aktif, dan arus beban. Gambar (9b) menunjukkan spektrum arus beban. Gambar ini menunjukkan bahwa riak frekuensi rendah bisa secara efektif diminimisasi oleh filter aktif. Riak frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh filter aktif bisa dengan mudah diredam oleh induktansi beban.

Gambar 8 Hasil percobaan tanpa filter aktif. (a) Tegangan dan arus beban. (b) Spektrum beban

Gambar 9 Hasll p€rcobaan dengan fllter aklif. (a) Gelombang keluaran. (b) Spektrum arus beban.

5 Kesimpulan

Dalam makalah ini, suatu metode baru untuk minimisasi riak arus keluaran penyearah daya besar dengan menggunakan filter aktif telah diusulkan dan validita.snya diuji lewat simulasi dan percobaan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa filter aktif riak keluaran penyearah bisa diminimisasi sehingga menjadi sangat kecil, walaupun sumber tegangan penyearahnya tidak setimbang. Metode yang diusulkan cocok untuk penyearah daya besar karena kapa.sitas tegangan dan arus dari filter aktif yang diusulkan keduanya sangat kecil dibandingkan dengan kapa.sitas penyearah. Optimasi ukuran filter pasif LC dan filter aktif masih perlu diteliti lebih lanjut. Pengaruh filter aktif pada kinerja dinamik penyearah juga masih perlu diteliti lebih mendalam.

6 Ucapan terima kasih

Penelitian ini dibiayai oleh Hitachi Scholarship Foundation dan The Japan Socicty for Promotion of Science dan dilakukan di Tokyo Institute of Technology, Jepang. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Terua Kataoka dan Prof. Yukihiko Sato, keduanya dari Tokyo Institute of Technology, yang telah banyak membantu dalam penelitian ini.

Daftar pirstaka 7

• Cilyo, F.F., Dcsign and Pcrforrnance AspecLs of a Prccision High-Current Power Supply, IEEE Trans. N uclear Scie nc e. 22. 1238- 1241 ( 1975). l .
• Lisser, J. dan Bouwknegt, K., High-Speed High-Precision Programmable Magnet Power Supply for a Wide Range of Magnet Time ConstanLs, IEEE Trans. N ule ar Scie nc e, 28, 2859 -286 I ( 199 I ). 2.
• Han, B.M., Karady, G.G. dan Thiessen, H.A., Tuning Magnet Current-Conditioning System for RF Cavity in a High-Intensily Protnn Accelarator, IEEE Trans. Nuclear Science, 38, 1005- 101 2 (1991).
• Sato, H., et.al,, Performance of the Main Ring Magnet Power Supply of the KEK 12 GeV Proton Synchrotron, IEEE Trans. Nuclear Science,39, 1490-1495 (1992). 4.
• Parce. D.A.. Power Electronic Converter Harmonics. IEEE Press. New York. (1996). 5.
• Reeve, J. dan Baron, J.A., Harmonic DC Line Voltages Arising from HVDC Power Conversion, IEEE Trans. Power App. Sys., 89, 1619-1624 (1970).
• Mathur, R. M. dan Sharal A.M., Harmonics on the DC Side in HVDC Conversion, IEEE Trans. Power AppL Sys., 96, 163l -1637 (1977).
• Kwon, B.H., Design of a Highly Srable Electromagnet Power Supply, IEEE Trans. Ind. Electon.,39, 149-158 (1992). 8.
• Boenig, H.J., et.al., Design and Operation of a 40-MW Highly Stabilized Powcr Supp'ly, IEEE Trans. Ind. Appl., 32, I 146-r r51 ( 1996). 9.
• Liang, R. dan Dewan, S.B., A Low-Ripple Power Supply for High-Current Magnet I-oad, IEEE Trans. Ind. Appl., 30, I 006- 10 15 (1994). 10.
• Olivier, G., Stefanovic, V.R. dan Jamil, M.A., Digitally Controlled Thyristor Curent Source, IEEE Trans. Ind. Electr. & Cont. Instr., 26, 185-191 (1979). ll.
• McMuray, W., The Closed-Loop Stability of Power Converters with an Integrating Controller, IEEE Trans. Ind. Appl., 18, 521-531 (1982). 12.