Review Jurnal
Analysis of Input and Output Ripples of PWM AC Choppers
Teguh Muhazir D. (muhazir.teguh@gmail.com)
Fakultas Teknologi Industri, Teknik Elektro
Universitas Gunadarma
Analysis of Input and Output Ripples of PWM AC Choppers
Teguh Muhazir D. (muhazir.teguh@gmail.com)
Fakultas Teknologi Industri, Teknik Elektro
Universitas Gunadarma
Abstrak. Jurnal yang berjudul “Analysis of Input and Output Ripples of PWM AC Choppers” ini berisi tentang analisis input dan output ripple dari rangkaian AC chopper. Persamaan yang digunakan pada penelitian ini adalah persaman dari arus input dan output serta ripple tegangan dari PWM AC chopper satu fase. Penelitian yang dilakukan pada jurnal ini menggunakan dua jenis rangkaian yaitu PWM AC chopper satu fase dan PWM AC chopper tiga fase. Hasil output dari rangkaian PWM AC chopper satu fase akan diteruskan dengan PWM AC chopper tiga fase, setelah itu digunakan kriteria tambahan pada outputnya untuk menentukan nilai induktansi dan kapasitansi dari filter LC. Untuk menunjukkan validitas dari metode analisis yang digunakan hasil percobaan ditampilkan pada jurnal ini.
Kata Kunci : AC chopper, PWM, ripple, filter LC.
1. Pendahuluan
Power supply ter-regulasi AC telah banyak digunakan pada berbagai macam aplikasi. Regulator tegangan AC menggunakan kontrol fase dengan thyristor adalah jenis regulator tegangan AC yang paling banyak digunakan. Jenis dari regulator tegangan AC ini memiliki beberapa kekurangan yaitu, harmonisa pada arus tinggi dan faktor daya yang rendah pada arus input dan harmonisa tinggi tegangan output. Ada dua cara untuk memecahkan permasalahan tersebut yaitu dengan regulator tegangan AC jenis baru. Regulator tegangan AC dengan metode langsung dan metode tidak langsung. Pada metode tidak langsung keuntungan yang diperoleh adalah tegangan output dapat dikontrol secara independen dari tegangan input, tetapi metode ini memiliki kekurangan yaitu efisiensi yang rendah dikarenakan dua kali proses konversi. Pada metode langsung diimplementasikan dengan Pulse Width Modulation (PWM) AC chopper. Pada metode ini efisiensinya lebih tinggi dibanding metode tidak langsung karena daya hanya diproses sekali. Kekurangan utama dari metode ini adalah frekuensi tegangan output tidak dapat berbeda dari frekuensi tegangan input. Analisis dari input dan output ripple pada jurnal ini sangat penting untuk proses design dari LC filter yang dibutuhkan. Design LC filter yang baik akan memberikan pengaruh yang signifikan pada AC chopper. Jurnal ini memberikan hasil analisis dari input dan output ripple dari PWM AC chopper. Yang pertamakali ditampilkan adalah persamaan dari ripple tegangan dan arus input dan output dari PWM AC chopper satu fase. Analisis fourier dan perhitungan kompleks tidak diperlukan lagi karena bentuk analisis dari persamaan yang dihasilkan sebelumnya. Persamaaan itu lalu dilanjutkan pada PWM AC chopper tiga fase. Kriteria berdasarkan pada daya reaktif minimum diperlukan karena arus input dan spesifikasi ripple tegangan saja bisa digunakan untuk menentukan nilai induktansi dan kapasitansi dari filter LC. Validitas dari metode analisis yang digunakan ditujukan dengan simulasi dan hasil percobaan.
2. PWM AC Choppers
Pembahasan pada jurnal ini hanya terbatas pada PWM AC chopper tipe buck. Untuk mengurangi harmonisa yang terjadi LC filter dihubungkan dengan sisi input dan output dari AC chopper. Modulasi PWM berbasis carrier digunakan untuk mengontrol PWM AC chopper. Pada gambar 2.2 menunjukkan teknik modulasi berbasis carrier untuk mengontrol PWM AC chopper satu fase. Pada teknik ini ketika frekuensi carrier lebih tinggi daripada tegangan sumber, komponen ripple dari arus sumber dan tegangan beban bisa di filter dengan LC filter kecil yang terhubung dengan sisi input dan output.
Gambar 2.1. Skematik AC chopper (a) satu fase dan (b) tiga fase.
Asumsi yang digunakan pada analisis input dan output ripple dari PWM AC chopper adalah sebagai berikut :
1.Frekuensi carrier lebih tinggi daripada frekuensi tegangan sumber
2.Beban merupakan beban linier
3.Perangkat switching diasumsikan sebagai switch ideal
4.Parameter LC filter adalah konstan
Gambar 2.2. Teknik PWM untuk AC chopper satu fase.
3. Analisis Ripple pada AC Chopper Satu Fase
3.1 Analisis Ripple Output
Analisis yang dilakukan pada pembahasan bab ini hanya terbatas pada mode konduksi kontinu, juga diasumsikan bahwa tegangan pada input kapasitor sama dengan tegangan sumber. Berikut adalah beberapa persamaan yang digunakan dalam jurnal ini.
Ripple arus output diperoleh dengan persamaan
Ripple arus output induktor diperoleh dengan persamaan
Persamaan diatas menunjukkan ripple arus output induktor berbanding terbalik secara proporsional dengan frekuensi carrier. Ripple arus ini akan maksimum ketika duty factor sama dengan setengah.
Ripple arus kapasitor diperoleh dengan persamaan
Ripple tegangan output diperoleh dengan persamaan
Persamaan diatas menunjukkan ripple tegangan output berbanding terbalik secara proporsional dengan akar dari frekuensi carrier. Hasil dari ripple tegangan output sangat berguna untuk merancang output filter LC yang diperlukan.
3.2 Analisis Ripple Input
Pada analisa ini diasumsikan jika arus outputnya adalah dalam bentuk sinusoidal
Nilai rms dari ripple arus input diperoleh dengan persamaan
Nilai rms dari ripple tegangan kapasitor selama satu periode diperoleh dengan persamaan
Nilai rms dari ripple arus sumbet selama satu periode diperoleh dengan persamaan
Gambar 3.1. Detail Waveform (a) Output dan (b) Input.
4. Analisis Ripple pada AC Chopper Tiga Fase
Topologi sirkuit dari rangkaian AC chopper tiga fase sebelumny telah diperlihatkan pada gambar 2.1 (b). Untuk menyederhanakan analisis ripple output, sirkuit output dari chopper tiga fase dibuat lagi sesuai dengan gambar 4.1.
Gambar 4.1. AC chopper tiga fase.
Untuk mendapatkan ripple arus jalur output induktor, kita dapat menggunakan relasi antara fase arus dan jalur arus pada sistem tiga fase, kita akan mendapatkan persamaan untuk ripple arus jalur output sebagai berikut
Ripple tegangan output kapasitor dapat diperoleh dengan persamaan
5. Menentukan LC Filter
Untuk menentukan rancangan dari LC filter diperlukan ripple tegangan output dan ripple arus sumber, ripple tersebut ditentukan oleh induktansi dan kapasitansi dari LC filter itu sendiri. Nilai dari induktasi dan kapasitansi tersebut tidak dapat ditentukan. Untuk memecahkan masalah ini kriteria tambahan berdasarkan minimum daya reaktif pada LC filter digunakan.
Daya reaktif pada output LC filter dapat ditentukan dengan persaman
Dimana
Kapasitansi optimum dari output filter dapat diperoleh dengan menyelesaikan persamaan berikut
6. Hasil Percobaan
Pada percobaan digunakan rangkaian pada gambar 2.1(a). Ujicoba dilakukan dengan menggunakan modul transistor sebagai perangkat switching, yang beroperasi pada 1kHz frekuensi switching. Induktansi sebesar 30mH dan kapasitansi 360 µF digunakan sebagai input LC filter, sementara induktansi 10 mH dan kapasitansi 250 µF digunakan sebagai output LC filter. Resistor 5 Ω digunakan sebagai beban pada AC chopper satu fase. Tegangan input tetap pada 35V (50Hz).
Gambar 6.1 menunjukkan hasil output dari arus induktor dan bentuk gelombang tegangan. Arus induktor yang dihasilkan hampir berbentuk sinusoidal. Tegangan output memiliki bentuk sesuai yang diharapkan. Osiloskop digital digunakan untuk menangkap gelombang terhadap satu periode fundamental. Selanjutnya komputer digital digunakan untuk menghitung komponen ripple dari hasilnya.
Gambar 6.1. Gelombang output (a) arus dan (b) tegangan.
Gambar 6.2 dan 6.3 menunjukkan hasil perhitungan dan hasil percobaan ripple arus induktor dan ripple tegangan kapasitor. Garis tebal merupakan perhitungan, sedangkan tanda kotak merupakan hasil percobaan. Angka ini menunjukkan secara jelas persaman antara hasil percobaan dan perhitungan.
Gambar 6.2. Hasil percobaan dan kalkulasi dari ripple arus output induktor.
Gambar 6.3. Hasil percobaan dan kalkulasi dari ripple tegangan output.
Gambar 6.4 dan 6.5 menunjukkan hasil perhitungan dan hasil percobaan dari ripple tegangan input dan arus sumber. Sekali lagi angka ini menunjukkan secara jelas persaman antara hasil percobaan dan perhitungan.
Gambar 6.4. Hasil percobaan dan kalkulasi dari ripple tegangan input.
Gambar 6.5. Hasil percobaan dan kalkulasi dari ripple arus sumber.
Simulasi ekstensif dengan software PSIM telah dilakukan untuk memastikan metode analisis yang digunakan. Berdasarkan hasil simulasi jika beberapa persyaratan berikut dipenuhi maka hasil perhitungan dapat akurat (eror kurang dari 5%) :
1.Frekuensi switching lebih besar 10 kali dari frekuensi output dasar.
2.Ripple dari konten harmonisa kuran dari 20%
3.Frekuensi resonansi dari filter LC kurang dari sepertiga dari frekuensi switching.
7. Kesimpulan
Percobaan dari jurnal ini bertujuan untuk mengatahui bentuk ripple dari tegangan input, arus sumber, tegangan output dan arus output induktor. Ripple arus output induktor dan ripple tegangan input kapasitor bervariasi berkebalikan secara proporsional dengan frekuensi switching. Ripple tegangan output kapasitor dan ripple arus sumber bervariasi berkebalikan secara proporsional dengan kuadrat dari frekuensi switching. Dari grafik hasil percobaan dan perhitungan didapat nilai yang tidak jauh berbeda. Teknik analisis yang digunakan pada jurnal ini berguna untuk proses perancangan LC filter dalam menentukan nilai induktansi dan kapasitansi dari LC filter tersebut.
Referensi
[1] Addoweesh, K.E. & Mohammadein, A.L., Microprocessor Based Harmonic Elimination in Chopper Type AC Voltage Regulators, IEEE Trans. Power Electr., 5, pp. 191-200, April 1990.
[2] Ahmed, N.A., Amei, K. & Sakui, M., A New Configuration of SinglePhase Symmetrical PWM AC Chopper Voltage Controller, IEEE Trans. Ind. Appl., 46, pp. 942-952, Oct. 1999.
[3] Dahono, P.K., Amiruddin, D., Rizqiawan, A., & Deni, Analysis of Input and Output Ripples of PWM AC Choppers, ITB J. Eng. Sci. Vol. 40, No. 2, pp. 91-109, 2008.
[4] Jang, D.H. & Choe, G.H., Improvement of Input Power Factor in AC Choppers Using Asymmetrical PWM Technique, IEEE Trans. Ind. Appl., 42, pp. 179-185, Apr. 1995.
[5] Srinivasan, S. & Venkataramanan, G., Comparative Evaluation of PWM AC-AC Converters, Proc. IEEE PESC, pp. 529-535, June 1995.
[6] Kwon, B.H., Min, B.D. & Kim, J.H., Novel Topologies of AC Chopper, IEE Proc. Eletr. Power. Appl., 143, July 1996.
[7] Venkataramanan, G., A Family of PWM Converters for Three Phase AC Power Conditioning, Proc. Conf. IEEE Power Electronic, Drives, and Energy System for Industrial Growth, pp. 572-577, June 1996.
[8] Lefeuvre, E., Meynard, T. & Viarouge, P., Robust Two-Level and Multilevel PWM AC Choppers, Proc. Conf. EPE, pp. 1-8, 2001.
[9] Fedyczak, Z., Strzelecki, R. & Benysek, G., Single-phase PWM AC/AC Semiconductor Transformer Topologies and Applications, Proc. IEEE PESC, pp. 1048-1053, June 2002.
[10] Petry, C.A., Fagundes, J.C. & Barbi, I., New Direct Ac-Ac Converters Using Switching Modules Solving the Commutation Problem, Proc. of IEEE ISIE, pp. 864-869, July 2006. [
[11] Ben-Yaakov, S., Hadad, Y. & Diamantstein, N., A Four Quadrant HF AC Chopper with no Deadtime, Proc. IEEE APEC, pp. 1461-1465, March 2006.
