Penyearah Tiga 3-Fasa
Penyearah 3-fasa adalah proses mengubah power supply 3-fasa stabil menjadi power supply DC yang tetap menggunakan dioda solid state atau thyristor.
Kami melihat dalam tutorial sebelumnya bahwa proses mengubah supply input AC menjadi supply DC tetap disebut penyearah dengan rangkaian paling populer yang digunakan untuk menjalankan proses penyearah ini adalah yang didasarkan pada dioda semikonduktor solid-state.
Faktanya, penyearah tegangan AC adalah salah satu aplikasi dioda yang paling populer, karena dioda tidak mahal, kecil dan kuat memungkinkan kita untuk membuat berbagai jenis rangkaian penyearah baik menggunakan dioda yang terhubung secara individual atau hanya dengan modul jembatan penyearah-satu terintegrasi.
Supply satu 1-fasa seperti yang ada di rumah dan kantor umumnya 120 Vrms atau 240 Vrms fasa-ke-netral, juga disebut line-to-neutral (L-N), dan nominal tegangan tetap dan frekuensi menghasilkan tegangan atau arus bolak-balik "AC" dalam bentuk gelombang sinusoidal.
Penyearah tiga 3-fasa, juga dikenal sebagai rangkaian penyearah fasa-poli mirip dengan penyearah satu 1-fasa sebelumnya, perbedaan kali ini adalah bahwa kami menggunakan tiga, supply satu 1-fasa terhubung bersama-sama yang menghasilkan tiga-fasa generator.
Keuntungannya di sini adalah bahwa rangkaian penyearah tiga 3-fasa dapat digunakan untuk memberi daya pada banyak aplikasi industri seperti kontrol motor atau pengisian baterai yang membutuhkan kebutuhan daya yang lebih tinggi daripada yang dapat disediakan oleh rangkaian penyearah satu 1-fasa.
Supply tiga 3-fasa membawa ide ini selangkah lebih maju dengan menggabungkan bersama tiga tegangan AC dari frekuensi dan amplitudo yang identik dengan masing-masing tegangan AC disebut “fasa”. Tiga 3-fasa ini adalah 120 derajat listrik diluar-fasa dari satu sama lain menghasilkan urutan fasa, atau rotasi fasa: 360° ÷ 3 = 120° seperti yang ditunjukkan.
Keuntungannya di sini adalah bahwa supply arus bolak-balik (AC) tiga 3-fasa dapat digunakan untuk menyediakan daya listrik secara langsung ke beban dan penyearah seimbang. Karena supply tiga 3-fasa memiliki tegangan dan frekuensi tetap, maka dapat digunakan oleh rangkaian penyearah untuk menghasilkan daya DC tegangan tetap yang kemudian dapat disaring sehingga menghasilkan tegangan DC output dengan riak yang lebih sedikit dibandingkan dengan rangkaian penyearah satu 1-fasa.
Seperti pada penyearah satu 1-fasa, penyearah tiga 3-fasa menggunakan Dioda, Thyristor, Transistor, atau Converter untuk membuat setengah gelombang, gelombang penuh, tidak terkendali dan rangkaian penyearah terkendali sepenuhnya mengubah supply tiga 3-fasa yang diberikan menjadi tingkat output DC konstan.
Dalam sebagian besar aplikasi, penyearah tiga 3-fasa di-supply langsung dari jaringan listrik utilitas utama atau dari transformator tiga 3-fasa jika tingkat output DC yang berbeda diperlukan oleh beban yang terhubung.
Seperti dengan penyearah satu 1-fasa sebelumnya, rangkaian penyearah tiga 3-fasa yang paling dasar adalah rangkaian penyearah setengah gelombang yang tidak terkontrol yang menggunakan tiga dioda semikonduktor, satu dioda per fasa seperti yang ditunjukkan.
Jadi bagaimana cara kerja rangkaian penyearah setengah gelombang tiga 3-fasa ini. Anoda dari masing-masing dioda dihubungkan ke satu 1-fasa dari supply tegangan dengan katoda dari ketiga dioda yang dihubungkan bersama ke titik positif yang sama, secara efektif menciptakan pengaturan tipe dioda-“OR”. Titik umum ini menjadi terminal positif (+) untuk beban sementara terminal negatif (-) dari beban dihubungkan ke netral (N) supply.
Dengan asumsi rotasi fasa Merah-Kuning-Biru (VA - VB - VC) dan fasa merah (VA) dimulai pada 0°. Dioda pertama yang akan dijalankan adalah dioda 1 (D1) karena akan memiliki tegangan yang lebih positif di anoda daripada dioda D2 atau D3. Dengan demikian dioda D1 berjalan untuk setengah siklus positif dari VA sementara D2 dan D3 berada dalam keadaan reverse-bias mereka. Kawat netral menyediakan jalur balik untuk arus beban kembali ke supply.
120 derajat listrik kemudian, dioda 2 (D2) mulai berjalan untuk setengah siklus positif dari B (fasa kuning). Sekarang anoda nya menjadi lebih positif dari dioda D1 dan D3 yang keduanya “OFF” karena mereka reverse-bias. Demikian pula, 120° kemudian VC (fasa biru) mulai meningkat memutar “ON” dioda 3 (D2) sebagai anoda nya menjadi lebih positif, sehingga mengubah “OFF” dioda D1 dan D2.
Kemudian kita dapat melihat bahwa untuk penyearah tiga 3-fasa, dioda mana saja yang memiliki tegangan lebih positif di anoda dibandingkan dengan dua dioda lainnya, ia akan secara otomatis mulai bekerja, dengan demikian memberikan pola konduksi: D1 D2 D3 seperti yang ditunjukkan.
Dari bentuk gelombang di atas untuk beban resistif, kita dapat melihat bahwa untuk penyearah setengah-gelombang, setiap dioda melewati arus untuk sepertiga dari setiap siklus, dengan bentuk gelombang output menjadi tiga kali frekuensi input supply AC. Oleh karena itu ada tiga puncak tegangan dalam siklus tertentu, sehingga dengan meningkatkan jumlah fasa dari satu fasa ke supply tiga fasa, penyearah supply ditingkatkan, yaitu output tegangan DC yang lebih halus.
Untuk penyearah setengah gelombang tiga 3-fasa, tegangan supply VA VB dan VC seimbang tetapi dengan perbedaan fasa 120° memberikan:
VA = VP*sin (ωt - 0°)
VB = VP*sin (ωt - 120°)
VC = VP*sin (ωt - 240°)
Jadi nilai rata-rata DC dari gelombang tegangan output dari penyearah 3-fasa setengah-gelombang diberikan sebagai:
Sebagai supply tegangan tegangan puncak, VP sama dengan VRMS*1.414, berarti VP sama dengan VP/1.414 memberikan 0.707*VP, sehingga DC tegangan output rata-rata penyearah dapat dinyatakan dalam hal tegangan fasa rms (root-mean-squared) menghasilkan:
Hitung,
a) output tegangan DC rata-rata ke beban.
b) arus beban,
c) arus rata-rata per dioda. Asumsikan dioda ideal.
a). Tegangan beban DC rata-rata:
Perhatikan bahwa jika kita diberi nilai tegangan puncak ( VP ), maka:
Dimana: VS sama dengan ( VL(PEAK) ÷ √3 ) dan di mana VL(PEAK) adalah tegangan maksimum line-to-line (VL*1.414).
Jadi tegangan output DC rata-rata dari penyearah gelombang penuh 3-fasa diberikan sebagai:
Sekali lagi, kita dapat sedikit mengurangi matematika dengan mengatakan dengan benar bahwa untuk nilai tegangan RMS line-to-line yang diberikan, dalam contoh kita 127 volt, tegangan output DC rata-rata adalah:
Kami melihat dalam tutorial sebelumnya bahwa proses mengubah supply input AC menjadi supply DC tetap disebut penyearah dengan rangkaian paling populer yang digunakan untuk menjalankan proses penyearah ini adalah yang didasarkan pada dioda semikonduktor solid-state.
Faktanya, penyearah tegangan AC adalah salah satu aplikasi dioda yang paling populer, karena dioda tidak mahal, kecil dan kuat memungkinkan kita untuk membuat berbagai jenis rangkaian penyearah baik menggunakan dioda yang terhubung secara individual atau hanya dengan modul jembatan penyearah-satu terintegrasi.
Supply satu 1-fasa seperti yang ada di rumah dan kantor umumnya 120 Vrms atau 240 Vrms fasa-ke-netral, juga disebut line-to-neutral (L-N), dan nominal tegangan tetap dan frekuensi menghasilkan tegangan atau arus bolak-balik "AC" dalam bentuk gelombang sinusoidal.
Penyearah tiga 3-fasa, juga dikenal sebagai rangkaian penyearah fasa-poli mirip dengan penyearah satu 1-fasa sebelumnya, perbedaan kali ini adalah bahwa kami menggunakan tiga, supply satu 1-fasa terhubung bersama-sama yang menghasilkan tiga-fasa generator.
Keuntungannya di sini adalah bahwa rangkaian penyearah tiga 3-fasa dapat digunakan untuk memberi daya pada banyak aplikasi industri seperti kontrol motor atau pengisian baterai yang membutuhkan kebutuhan daya yang lebih tinggi daripada yang dapat disediakan oleh rangkaian penyearah satu 1-fasa.
Supply tiga 3-fasa membawa ide ini selangkah lebih maju dengan menggabungkan bersama tiga tegangan AC dari frekuensi dan amplitudo yang identik dengan masing-masing tegangan AC disebut “fasa”. Tiga 3-fasa ini adalah 120 derajat listrik diluar-fasa dari satu sama lain menghasilkan urutan fasa, atau rotasi fasa: 360° ÷ 3 = 120° seperti yang ditunjukkan.
Gelombang Tiga 3-Fasa
Keuntungannya di sini adalah bahwa supply arus bolak-balik (AC) tiga 3-fasa dapat digunakan untuk menyediakan daya listrik secara langsung ke beban dan penyearah seimbang. Karena supply tiga 3-fasa memiliki tegangan dan frekuensi tetap, maka dapat digunakan oleh rangkaian penyearah untuk menghasilkan daya DC tegangan tetap yang kemudian dapat disaring sehingga menghasilkan tegangan DC output dengan riak yang lebih sedikit dibandingkan dengan rangkaian penyearah satu 1-fasa.
Penyearah Tiga 3-Fasa Setengah Gelombang
Setelah melihat bahwa supply 3-fasa hanya tiga fasa tunggal digabungkan bersama, kita dapat menggunakan properti multi-fasa ini untuk membuat rangkaian penyearah 3-fasa.Seperti pada penyearah satu 1-fasa, penyearah tiga 3-fasa menggunakan Dioda, Thyristor, Transistor, atau Converter untuk membuat setengah gelombang, gelombang penuh, tidak terkendali dan rangkaian penyearah terkendali sepenuhnya mengubah supply tiga 3-fasa yang diberikan menjadi tingkat output DC konstan.
Dalam sebagian besar aplikasi, penyearah tiga 3-fasa di-supply langsung dari jaringan listrik utilitas utama atau dari transformator tiga 3-fasa jika tingkat output DC yang berbeda diperlukan oleh beban yang terhubung.
Seperti dengan penyearah satu 1-fasa sebelumnya, rangkaian penyearah tiga 3-fasa yang paling dasar adalah rangkaian penyearah setengah gelombang yang tidak terkontrol yang menggunakan tiga dioda semikonduktor, satu dioda per fasa seperti yang ditunjukkan.
Penyearah Tiga 3-Fasa Setengah Gelombang
Jadi bagaimana cara kerja rangkaian penyearah setengah gelombang tiga 3-fasa ini. Anoda dari masing-masing dioda dihubungkan ke satu 1-fasa dari supply tegangan dengan katoda dari ketiga dioda yang dihubungkan bersama ke titik positif yang sama, secara efektif menciptakan pengaturan tipe dioda-“OR”. Titik umum ini menjadi terminal positif (+) untuk beban sementara terminal negatif (-) dari beban dihubungkan ke netral (N) supply.
Dengan asumsi rotasi fasa Merah-Kuning-Biru (VA - VB - VC) dan fasa merah (VA) dimulai pada 0°. Dioda pertama yang akan dijalankan adalah dioda 1 (D1) karena akan memiliki tegangan yang lebih positif di anoda daripada dioda D2 atau D3. Dengan demikian dioda D1 berjalan untuk setengah siklus positif dari VA sementara D2 dan D3 berada dalam keadaan reverse-bias mereka. Kawat netral menyediakan jalur balik untuk arus beban kembali ke supply.
120 derajat listrik kemudian, dioda 2 (D2) mulai berjalan untuk setengah siklus positif dari B (fasa kuning). Sekarang anoda nya menjadi lebih positif dari dioda D1 dan D3 yang keduanya “OFF” karena mereka reverse-bias. Demikian pula, 120° kemudian VC (fasa biru) mulai meningkat memutar “ON” dioda 3 (D2) sebagai anoda nya menjadi lebih positif, sehingga mengubah “OFF” dioda D1 dan D2.
Kemudian kita dapat melihat bahwa untuk penyearah tiga 3-fasa, dioda mana saja yang memiliki tegangan lebih positif di anoda dibandingkan dengan dua dioda lainnya, ia akan secara otomatis mulai bekerja, dengan demikian memberikan pola konduksi: D1 D2 D3 seperti yang ditunjukkan.
Konduksi Gelombang Penyearah Tiga 3-Fasa Setengah-Gelombang
Dari bentuk gelombang di atas untuk beban resistif, kita dapat melihat bahwa untuk penyearah setengah-gelombang, setiap dioda melewati arus untuk sepertiga dari setiap siklus, dengan bentuk gelombang output menjadi tiga kali frekuensi input supply AC. Oleh karena itu ada tiga puncak tegangan dalam siklus tertentu, sehingga dengan meningkatkan jumlah fasa dari satu fasa ke supply tiga fasa, penyearah supply ditingkatkan, yaitu output tegangan DC yang lebih halus.
Untuk penyearah setengah gelombang tiga 3-fasa, tegangan supply VA VB dan VC seimbang tetapi dengan perbedaan fasa 120° memberikan:
VA = VP*sin (ωt - 0°)
VB = VP*sin (ωt - 120°)
VC = VP*sin (ωt - 240°)
Jadi nilai rata-rata DC dari gelombang tegangan output dari penyearah 3-fasa setengah-gelombang diberikan sebagai:
Contoh: Penyearah 3-Fasa setengah gelombang
Penyearah 3-fasa setengah-gelombang dibangun menggunakan tiga dioda individu dan sebuah transformator terhubung star 3-fasa 120VAC. Jika diperlukan untuk memberi daya pada beban yang terhubung dengan impedansi 50Ω.Hitung,
a) output tegangan DC rata-rata ke beban.
b) arus beban,
c) arus rata-rata per dioda. Asumsikan dioda ideal.
a). Tegangan beban DC rata-rata:
VDC = 1.17*Vrms = 1.17*120 = 140.4 volt
VDC akan sama dengan 0.827*Vp atau 0.827*169.68 = 140.4V.
b). Arus beban DC:
IL = VDC/RL = 140.4/50 = 2.81 ampere
c). Arus rata-rata per dioda:
ID = IL/3 = 2.81/3 = 0.94 ampere
Salah satu kelemahan dari penyearah 3-fasa setengah-gelombang adalah bahwa hal itu membutuhkan supply 4-kawat, yaitu tiga fasa ditambah koneksi netral (N). Tegangan output DC rata-rata juga rendah pada nilai yang ditunjukkan oleh 0.827*VP seperti yang telah kita lihat.
Ini karena konten riak output adalah tiga kali frekuensi input. Tetapi kita dapat memperbaiki kelemahan ini dengan menambahkan tiga dioda lagi ke rangkaian penyearah dasar yang menciptakan jembatan penyearah tiga 3-fasa gelombang-penuh yang tak terkendali.
Ini karena konten riak output adalah tiga kali frekuensi input. Tetapi kita dapat memperbaiki kelemahan ini dengan menambahkan tiga dioda lagi ke rangkaian penyearah dasar yang menciptakan jembatan penyearah tiga 3-fasa gelombang-penuh yang tak terkendali.
Penyearah Tiga 3-Fasa Gelombang Penuh
Rangkaian jembatan penyearah tiga 3-fasa gelombang penuh yang tak terkendali menggunakan enam dioda, dua per fasa dengan cara yang mirip dengan penyearah jembatan fasa tunggal. Penyearah 3-fasa gelombang penuh diperoleh dengan menggunakan dua rangkaian penyearah setengah gelombang. Keuntungannya di sini adalah bahwa rangkaian menghasilkan output riak yang lebih rendah daripada penyearah 3-fasa setengah-gelombang sebelumnya karena memiliki frekuensi enam kali bentuk gelombang AC input.
Juga, penyearah gelombang penuh dapat diumpankan dari supply delta 3-kawat 3-fasa seimbang yang seimbang karena tidak diperlukan kabel netral (N) keempat. Pertimbangkan rangkaian penyearah 3-fasa gelombang penuh di bawah ini.
Penyearah Tiga 3-Fasa Gelombang Penuh
Seperti sebelumnya, mengasumsikan rotasi fasa Merah-Kuning-Biru (VA - VB - VC ) dan fasa merah (VA) dimulai pada 0°. Setiap fasa menghubungkan antara sepasang dioda seperti yang ditunjukkan. Satu dioda pasangan konduktor daya sisi positif (+) beban, sedangkan dioda lainnya daya sisi negatif (-) beban.
Dioda D1 D3 D2 dan D4 membentuk jaringan penyearah jembatan antara fasa A dan B, demikian pula dioda D3 D5 D4 dan D6 antara fasa B dan C dan D5 D1 D6 dan D2 antara fasa C dan A.
Jadi dioda D1 D3 dan D5 mengumpankan rel positif dan bergantung pada yang mana yang memiliki tegangan lebih positif pada terminal anoda-nya. Demikian juga, dioda D2 D4 dan D6 mengumpankan rel negatif dan dioda mana pun yang memiliki tegangan lebih negatif pada terminal katoda konduksi.
Kemudian kita dapat melihat bahwa untuk penyearah tiga 3-fasa, dioda menjalankan pasangan yang cocok memberikan pola konduksi untuk arus beban: D1-2 D1-6 D3-6 D3-6 D3-4 D5-4 D5-2 dan D1-2 seperti yang ditunjukkan.
Gelombang Konduksi Penyearah Tiga 3-Fasa Gelombang Penuh
Dalam power penyearah tiga 3-fasa, konduksi selalu terjadi di dioda paling positif dan dioda paling negatif yang sesuai. Jadi ketika tiga 3-fasa berputar melintasi terminal penyearah, konduksi dilewatkan dari dioda ke dioda. Kemudian setiap dioda berjalan selama 120° (sepertiga) dalam setiap siklus supply tetapi karena dibutuhkan dua dioda untuk berjalan berpasangan, setiap pasangan dioda akan berjalan hanya 60° (satu-keenam) dari siklus pada satu waktu seperti ditunjukkan di atas.
Oleh karena itu kita dapat dengan benar mengatakan bahwa untuk penyearah 3-fasa yang diumpankan oleh "3" transformator, setiap fasa akan dipisahkan oleh 360°/3 sehingga membutuhkan 2*3 dioda. Perhatikan juga bahwa tidak seperti penyearah setengah-gelombang sebelumnya, tidak ada koneksi umum antara terminal input dan output penyearah. Oleh karena itu dapat diumpankan oleh supply transformator star connected atau delta connected.
Jadi nilai rata-rata DC dari gelombang tegangan output dari penyearah 3-fasa gelombang penuh diberikan sebagai:
Contoh: Penyearah tiga 3-Fasa Gelombang Penuh
Jembatan penyearah 3-fasa gelombang penuh diperlukan untuk mengumpankan 150Ω beban resistif dari 3-fasa 127 volt, 60Hz delta terhubung supply. Mengabaikan tegangan drop melintasi dioda, hitung: 1. tegangan output DC penyearah dan 2. arus beban.
1. Tegangan output DC:
Tegangan line RMS (Root Mean Squared) adalah 127 volt. Oleh karena itu tegangan puncak line-to-line (VL-L(PEAK)) adalah:
VL(PEAK) = VL(RMS) x √2 = 127 x 1.414 = 179.6 V
Karena power supply adalah 3-fasa, fasa ke tegangan netral (VP-N) dari fasa apa pun adalah:
VS = VL(PEAK) ÷ √3 = 179.6 ÷ 1.732 = 103.7 V
Perhatikan bahwa ini pada dasarnya sama dengan mengatakan:
2. Arus beban penyearah
Output dari penyearah memberi makan beban resistif 150Ω. Kemudian menggunakan hukum Ohm arus beban adalah:
ILOAD = VS ÷ RL = 171.5 ÷ 150 = 1.14Amp
Penyearah tiga 3-fasa tak terkendali menggunakan dioda untuk memberikan tegangan output rata-rata dari nilai tetap relatif terhadap nilai tegangan AC input. Tetapi untuk memvariasikan tegangan output penyearah, kita perlu mengganti dioda yang tak terkendali, baik sebagian atau semuanya, dengan thyristor untuk membuat apa yang disebut jembatan penyearah setengah terkendali atau terkendali penuh.
Thyristor adalah perangkat semikonduktor tiga terminal dan ketika pulsa pemicu yang sesuai diterapkan ke terminal gerbang thyristor ketika tegangan terminal Anoda-ke-Katoda-nya positif, perangkat akan berjalan dan melewatkan arus beban. Jadi dengan menunda waktu pulsa pemicu, (sudut tembak) kita dapat menunda waktu di mana thyristor secara alami akan beralih "ON" jika itu adalah dioda normal dan saat itu mulai berjalan ketika pulsa memicu diterapkan.
Dengan demikian dengan penyearah 3-fasa terkendali yang menggunakan thyristor alih-alih dioda, kita dapat mengontrol nilai tegangan output DC rata-rata dengan mengendalikan sudut tembak pasangan thyristor dan dengan demikian tegangan output penyearah menjadi fungsi dari sudut tembak, α.
Oleh karena itu satu-satunya perbedaan dengan rumus yang digunakan di atas untuk tegangan output rata-rata jembatan penyearah 3 fasa adalah pada sudut cosinus, cos (α) dari pulsa yang dinyalakan atau dipicu. Jadi jika sudut tembak adalah nol, (cos (0) = 1), penyearah terkendali berjalan mirip dengan penyearah dioda 3-fasa tak terkendali sebelumnya dengan tegangan output rata-rata yang sama.
Contoh jembatan penyearah 3-fasa terkendali sepenuhnya diberikan di bawah ini:
COntoh: Jembatan Penyearah Tiga 3-Fasa Terkendali Sepenuhnya
Ringkasan Penyearah Tiga 3-Fasa
Kita telah melihat dalam tutorial ini bahwa penyearah tiga 3-fasa adalah proses mengubah supply AC 3 fasa menjadi tegangan DC yang ber-pulsa karena penyearah mengubah power supply input dari tegangan sinusoidal dan frekuensi menjadi daya DC tegangan tetap. Dengan demikian penyearah daya mengubah supply bolak-balik menjadi supply searah.
Tetapi kita juga telah melihat bahwa penyearah 3-fasa setengah-gelombang tak-terkendali, yang menggunakan satu dioda per fasa, memerlukan supply terhubung star sebagai kabel netral keempat (N) untuk menutup rangkaian dari beban ke sumber. Jembatan penyearah 3-fasa gelombang penuh yang menggunakan dua dioda per fasa hanya membutuhkan tiga saluran utama, tanpa netral, seperti yang disediakan oleh supply yang terhubung dengan delta.
Keuntungan lain dari jembatan penyearah gelombang penuh adalah bahwa arus beban seimbang dengan baik di seluruh jembatan yang meningkatkan efisiensi (rasio output daya DC ke daya input yang disediakan) dan mengurangi konten riak, baik dalam amplitudo dan frekuensi, dibandingkan dengan konfigurasi setengah gelombang.
Dengan meningkatkan jumlah fasa dan dioda dalam konfigurasi jembatan, dimungkinkan untuk memperoleh tegangan output DC rata-rata yang lebih tinggi dengan amplitudo riak yang lebih rendah seperti misalnya, dalam penyearah 6-fasa, masing-masing dioda hanya akan berjalan seperenam siklus.
Juga, penyearah multi-fasa menghasilkan frekuensi riak yang lebih tinggi berarti penyaringan kapasitif yang lebih rendah dan tegangan output yang jauh lebih halus. Dengan demikian penyearah tak terkendali 6, 12, 15 dan bahkan 24 fasa dapat dirancang untuk meningkatkan faktor riak untuk berbagai aplikasi.