Tegangan arus searah (DC) diperoleh melalui penyearah. Kemudian, filter kapasitor diperlukan untuk menghasilkan ripple tegangan DC yang kecil. Namun, nilai kapasitor yang sangat besar menyebabkan bentuk gelombang arus terdistorsi dan harmonik terkontaminasi. Harmonik menyebabkan kerusakan pada komponen dengan cepat, kegagalan fungsi peralatan elektronik, panas berlebih, dan penurunan faktor daya [1], [2]. Ketika faktor daya menurun, rugi daya dan harmonik meningkat sehingga menyebabkan perangkat lain yang terhubung ke saluran terganggu. Pada beban non-linier, faktor daya dipengaruhi oleh faktor distorsi dan faktor daya perpindahan, yang memiliki dampak yang cukup penting pada sistem. Oleh karena itu, metode koreksi faktor daya (PFC) dikembangkan berdasarkan standar harmonik arus masukan [3]“[6]. Rangkaian PFC memanfaatkan bentuk gelombang arus dan tegangan masukan agar sefase.
Oleh karena itu, sistem dianggap sebagai beban resistansi murni dan memperoleh faktor daya kesatuan meskipun beban non-linier digunakan [7]. Secara umum, metode PFC menghilangkan harmonik yang sangat besar menggunakan filter induktor dengan ukuran yang besar. Oleh karena itu, konverter PFC diklasifikasikan menjadi konverter pasif dan aktif. PFC aktif memperoleh faktor daya yang lebih tinggi, ukuran yang lebih ramping, dan faktor daya yang lebih kecil daripada konverter pasif [8], [9]. Mode operasi konverter PFC aktif adalah mode konduksi kontinu (CCM), mode konduksi terputus-putus (DCM), dan mode konduksi kritis (CRM) [10]. Mode-mode ini didasarkan pada aliran arus induktor. Di sisi lain, berdasarkan jumlah tahap jenis konverter, PFC aktif dapat didefinisikan sebagai satu tahap dan dua tahap [11]. Satu tahap mencapai faktor daya dan efisiensi tinggi tetapi memiliki masalah ketidakseimbangan energi [12]. Setelah itu, topologi PFC dua tahap menggantikan satu tahap karena mencapai faktor daya yang lebih tinggi dan memenuhi regulasi standar harmonik. Sistem PFC terdiri dari konverter boost paralel dan konverter flyback dalam koneksi seri. Tegangan input konverter boost paralel berasal dari penyearah dan transformator step-down.
HASIL SIMULASI DAN EKSPERIMEN
Dalam makalah ini, sistem PFC bertingkat menggunakan analisis matematis untuk memperoleh nilai setiap komponen. Simulasi dan desain pengontrol menggunakan MATLAB Simulink. Gambar 2 menyajikan diagram blok sistem PFC. Pasokan sistem PFC adalah sumber 220 V dari jaringan. Kemudian, sumber tegangan diturunkan oleh transformator frekuensi rendah menjadi 32 V. Selain itu, penyearah menghasilkan tegangan DC setelah sisi sekunder transformator. Setelah itu, konverter PFC DC-DC parallel boost “ Flyback yang diusulkan meningkatkan kualitas sistem.
Untuk desain pengontrol, penentuan parameter kontrol PI menggunakan metode Ziegler-Nichols berdasarkan kurva reaksi sistem loop terbuka. Pabrik diperlakukan sebagai sistem loop terbuka yang tunduk pada sinyal fungsi langkah satuan. Respons sistem akan berbentuk S jika pabrik tidak mengandung elemen integrator atau kutub kompleks minimal. Kurva berbentuk S memiliki dua konstanta, yaitu waktu mati dan waktu tunda. Penentuan parameter proporsional-integral“turunan (PID) didasarkan pada perolehan dua konstanta ini. Oleh karena itu, metode Zeigler-Nichols mudah diimplementasikan karena tidak memerlukan analisis matematika yang rumit. Kurva reaksi dalam mode loop terbuka menentukan apakah sistem termasuk dalam orde 1 atau 2. Respons tegangan, yang tidak memiliki overshoot dan osilasi, ditetapkan sebagai orde 1. Akibatnya, sistem hanya memerlukan pengontrol PI.
Gambar 3(a) menunjukkan kurva reaksi dalam mode open-loop. Gambar 3(b) menunjukkan kurva respon dalam loop tertutup dibandingkan dengan Zieger-Nichol dan metode konvensional. Tabel 2 menyajikan perbandingan antara kedua metode tersebut. Respons menunjukkan bahwa metode yang diusulkan memiliki kinerja yang lebih baik daripada metode konvensional. Parameternya meliputi rise time, settling time, dan error steady-state. Menurut Tabel 2, Zieger-Nichol memiliki rise time yang lebih cepat, settling time yang lebih cepat, dan error steady-state yang lebih kecil daripada metode konvensional. Kemudian, simulasi sistem integrasi juga dilakukan pada Gambar 4. Simulasi dilakukan dengan dua kasus. Kasus pertama adalah rangkaian dengan penyearah dan konverter flyback saja. Kedua, rangkaian lengkap menggunakan rangkaian PFC dan regulator tanpa kapasitor DC-link di sisi penyearah. Gambar 4(a). menunjukkan respons tanpa rangkaian PFC pada 50 Hz 220 V. Seperti yang dapat kita amati, arus input terdiri dari riak besar dan beberapa titik tidak dalam fase dengan respons tegangan. Respons arus input seperti itu menyebabkan harmonik besar dalam THD. Gambar 4(b) menunjukkan hasil simulasi dengan rangkaian PFC. Tegangan dan arus input memiliki respons yang lebih baik dibandingkan dengan yang tanpa rangkaian PFC pada Gambar 4(a), termasuk harmonik arus input yang lebih kecil dan respons melacak tegangan input juga. Gambar 10 menyajikan spektrum harmonik dari sisi arus input. Pada Gambar 5(a) memiliki nilai THD yang sangat besar yaitu 83,35% saat tanpa rangkaian PFC. Saat menggunakan rangkaian PFC pada Gambar 5(b), seperti yang dapat diamati, THD menurun secara signifikan dari 83,35% menjadi 0,98%.
Unit mikrokontroler (MCU) dari STMicroelectronics, tipe STM32F407VG, digunakan untuk menjalankan kontrol yang diusulkan untuk kedua konverter. Duty cycle konverter penguat paralel adalah 52%. Set poin tegangan konverter flyback adalah 12 volt karena persyaratan beban. Kedua konverter menggunakan frekuensi switching 40 kHz dan periode pengambilan sampel 25 μs. Penganalisis harmonik daya 43B digunakan untuk mengumpulkan data dan bentuk gelombang dalam hasil percobaan, seperti respons tegangan dan arus, THD, dan nilai PF. Gambar 7 menunjukkan respons input tegangan dan arus dengan PFC dan tanpa PFC menggunakan beban seri 220 V, 100 W. Gambar 7(a) menunjukkan respons parameter tanpa rangkaian PFC. Respons arus dengan rangkaian PFC pada Gambar 7(b) memiliki kinerja yang lebih baik, termasuk lebih sedikit harmonik, dan PF meningkat secara signifikan dari 0,43 menjadi 0,96. Selain itu, tegangan input sefase dengan bentuk gelombang arus input saat rangkaian PFC digunakan. Gambar 8 menunjukkan respons harmonik spektrum input arus. Nilai THD menurun dari 49,4% pada Gambar 8(a) menjadi 16,2% pada Gambar 8(b). Selain itu, mengandung lebih sedikit harmonik dibandingkan dengan yang tanpa rangkaian PFC. Gambar 9 menunjukkan bentuk gelombang arus dan tegangan saat sistem menggunakan beberapa beban 220 V dan 100 W secara paralel. Gambar 9(a) menunjukkan bentuk gelombang tanpa rangkaian PFC, di mana PF adalah 0,67, dan harmonik arusnya sangat tinggi. Di sisi lain, seperti yang dapat kita amati pada Gambar 9(b), PF meningkat menjadi 0,96 saat rangkaian PFC digunakan. Oleh karena itu, harmonisa arus tinggi dapat memengaruhi THD. Kemudian, Gambar 10 menyajikan respons harmonisa arus masukan saat sistem menggunakan beberapa beban 220 V, 100 W. Gambar 10(a) menunjukkan bentuk gelombang THD tanpa menggunakan rangkaian PFC, yaitu 30%. Kemudian, THD menurun hingga 15,4% saat menggunakan rangkaian PFC, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10(b). Hasilnya, terbukti bahwa rangkaian PFC penguat paralel meningkatkan kinerja sistem, termasuk peningkatan faktor daya dan penekanan THD, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Makalah ini memperkenalkan AC-DC parallel boost-flyback untuk peningkatan daya dari rangkaian PFC satu tahap ke dua tahap menggunakan regulasi standar harmonik paralel. Konverter dua tahap terdiri dari konverter boost paralel PFC sebagai tahap utama dan konverter DC-DC flyback lain sebagai konverter tambahan. Konverter tambahan ini dapat menjadi pembatalan riak frekuensi saluran dan pengatur tegangan. Hasil simulasi dan eksperimen menunjukkan bahwa rangkaian PFC yang diusulkan memiliki kinerja yang lebih baik, yaitu harmonik arus yang lebih sedikit, PF yang lebih tinggi, dan nilai THD yang lebih rendah daripada yang tanpa sistem PFC. Selain itu, dibandingkan dengan metode konvensional, metode Zieger-Nichols berkinerja lebih baik, termasuk waktu naik yang lebih cepat, waktu penyelesaian yang lebih cepat, dan kesalahan kondisi tunak yang lebih sedikit. Oleh karena itu, kurva reaksi Ziegler-Nichols yang diusulkan menunjukkan kinerja konverter daya yang cukup untuk aplikasi industri.
Penulis: Muhammad Syahril Mubarok, Ph.D.
Tautan Artikel:
