2.0 DEFINE AC TO DC CONVERTER (RECTIFIER)

2.0                  PENGENALAN

 

Satu litar penukar AU-AT menukarkan arus-ulangalik (AU) kepada arus- terus (AT) atau lebih dikenali sebagai penerusan. Voltan dan kuasa keluaran daripada litar penerus boleh dikawal dengan cara mengawal pensuisan peranti- peranti separuh-pengalir di dalam litar tersebut. Litar penerus boleh dibahagikan kepada 3 jenis iaitu; Penerus Tak Terkawal, Penerus Separuh Terkawal dan Penerus Terkawal.

 

Di dalam unit ini, kita akan membincangkan ketiga-tiga jenis litar penerus tersebut di dalam konteks litar satu fasa dan tiga fasa. Litar Penerus Tak Terkawal hanya menggunakan diod sahaja manakala Penerus Terkawal  menggunakan  tiristor sahaja. Perbezaan fungsinya ialah diod mengkonduksikan arus apabila dipincang depan manakala tiristor yang dipincang depan boleh dikawal pengkonduksiannya melalui picuan pada pintu. Penerus tak terkawal akan membekalkan keluaran yang tetap untuk suatu masukan arus-ulangalik. Penerus Separuh Terkawal menggunakan kombinasi diod dan tiristor. Kedua-dua Penerus Terkawal dan Separuh Terkawal membenarkan pelarasan voltan keluaran dengan pengawalan sudut picuan di mana tiristor tersebut akan  dihidupkan.

 

 

 

2.1                  LITAR SATU FASA

 

Di dalam litar penerus satu-fasa, masukannya ialah bekalan AU satu-fasa. Litar yang menggunakan diod membekalkan voltan keluaran AT yang tetap manakala litar yang menggunakan peranti pensuisan terkawal seperti tiristor membekalkan voltan keluaran yang berubah.

 

 

2.1.1        Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang Dengan Beban Rintangan Tulin

 

Satu litar penerus tak terkawal separuh gelombang dengan beban rintangan tulin adalah ditunjukkan dalam rajah 2.1 di bawah.voltan masukan ialah gelombang sinus seperti yang ditunjukkan  dalam  rajah  2.1(b). Semasa separuh kitar positif, iaitu 0<w t<p, diod mengkonduksi dan berkelakuan seperti satu suis tertutup (dengan beranggapan diod adalah unggul) menyambungkan bekalan kepada beban (i.e. vo = v). Arus beban ialah io = vo/R, dan disebabkan R adalah tetap, maka io dan vo mempunyai gelombang yang sama [rujuk rajah 2.1(b)]. Pada masa separuh kitar negatif, diod berkelakuan seperti satu suis terbuka dan tidak mengkonduksikan sebarang arus.

Rajah 2.1 : Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang  

                    dengan beban tulin (a) Litar. (b) Gelombang.

 

 

 

2.1.1      Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang Dengan Beban Berinduktif

 

 

Satu litar penerus tak terkawal separuh gelombang dengan beban rintangan berinduktif adalah ditunjukkan dalam rajah 2.2(a) di bawah dan gelombang yang berkenaan di tunjukkan dalan rajah 2.2(b). Boleh diperhatikan bahawa arus beban bukan sahaja mengalir semasa separuh kitar positif voltan masukan tetapi juga mengalir pada sebahagian daripada separuh kitar negatif voltan masukan. Ini adalah kerana beban beraruhan menyimpan tenaga dan mengekalkan arus beban seterusnya  berusaha  untuk mengatasi bekalan negatif dan mengekalkan diod dalam keadaan pincang depan. Maka nilai purata arus dan voltan keluaran diberi  oleh

Rajah 2.2 : Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang

                    dengan beban berinduktif (a) Litar. (b) Gelombang.

2.1.1      Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang Dengan Beban Berinduktif dan Diod Beroda Bebas

 

Litar di dalam rajah 2.2 yang mengandungi beban berinduktif dikatakan tidak mempunyai arus yang berterusan dan mengandungi riak yang tinggi. Arus beban yang berterusan boleh dicapai dengan menambahkan satu diod melintangi beban seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.3(a). Diod ini menghalang penyongsangan voltan pada beban  semasa separuh kitar negatif bekalan masukan. Apabila diod D1 berhenti berkendali pada sifar volt, diod Df  membekalkan laluan alternatif seperti yang ditunjukkan oleh gelombang pada rajah 2.3(b). Nilai voltan keluaran adalah separuh kitar positif daripada voltan masukan sinus. Nilai voltan purata diberikan oleh:

Rajah 2.3 : Litar Penerus Tak Terkawal Separuh Gelombang dengan beban

                    berinduktif dan diod beroda bebas. (a) Litar. (b)  Gelombang.

2.1.1      Litar Penerus Tak Terkawal Gelombang Penuh

 

 

Satu litar penerus tak terkawal gelombang penuh adalah  ditunjukkan  dalam rajah 2.4(a) dan 2.4(b) di bawah dan gelombang yang berkenaan di tunjukkan dalan rajah 2.4(c). Kedua-dua litar juga dikenali sebagai Litar Penerus Gelombang Penuh jenis Tetimbang. Akan tetapi boleh dilihat bahawa penggunaan dua diod hanya dibenarkan sekiranya satu pengubah sadap tengah digunakan. Untuk mendapatkan voltan keluaran yang sama nilainya, setiap gegelung sekunder untuk pengubah sadap tengah mesti memiliki kadaran voltan ppgd (voltan purata punca ganda dua) sama seperti pada satu gegelung sekunder pada pengubah di dalam  rajah 2.4(a). Nilai voltan purata yang dihasilkan ialah:

Rajah 2.4 : Litar Penerus Tak Terkawal Gelombang Penuh (a)Litar dengan empat diod penerus (b) Litar dengan dua diod penerus (c)  Gelombang

2.1.1        Litar Penerus Separuh Terkawal Gelombang Penuh

 

 

Satu litar penerus separuh terkawal boleh digunakan untuk mengawal kelajuan untuk satu motor AT mengandungi kombinasi diod dan tiristor. Satu litar penerus yang mengandungi kombinasi dua tiristor dan tiga diod ditunjukkan dalam rajah 2.5(a). Tiristor S1 dan S2 dipicu pada a dan p + a, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.5(b). Beban motor adalah disambungkan kepada bekalan masukan pada selang a < w t < p menerusi S1 dan D2, dan voltan keluaran vo  adalah sama dengan bekalan masukan v. Selepas p, vo berkecenderungan untuk menyongsang disebabkan pertukaran polariti bekalan. Apabila vo berkecenderungan untuk menyongsang, diod DFW (diod beroda bebas) menjadi pincang depan dan mengkonduksi. Arus keluaran io, yang mengalir daripada bekalan menerusi S1 dipindahkan  kepada  DFW.  Terminal keluaran dilitar-pintaskan menerusi diod beroda bebas pada selang p < w t < (p + a), menyebabkan vo = 0.

 

Pada w t = p + a, S2 dipicu dan ia mengambil alih arus beban Io daripada DFW. Arus beban sekarang mengalir menerusi S2 dan D1, menyebabkan vo = - v. Pada w t = 2p, DFW menjadi pincang depan semula dan mengambil alih arus beban daripada S2. Proses tersebut berulang- ulang. Gelombang untuk voltan dan arus keluaran juga ditunjukkan dalam rajah 2.5(b).

Rajah 2.5 : Litar Penerus Separuh Terkawal Gelombang Penuh

                    dengan beban motor. (a) Litar. (b) Gelombang.

2.1.1      Litar    Penerus    Terkawal    Separuh    Gelombang    dengan    beban rintangan tulin

 

Satu litar penerus terkawal yang mengandungi hanya satu tiristor dan satu beban rintangan tulin ditunjukkan dalam rajah 2.6(a). Tiristor dipincang depan semasa selang 0 < w t < p, 2p < w t < 3p, dan seterusnya. Satu denyut picuan dibekalkan pada sudut a seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.6(b). Sudut ini dikenali sebagai sudut picuan untuk tiristor. Arus untuk tiristor menjadi sifar pada w t = p, 3p, dan seterusnya dan tiristor mengkonduksi daripada a sehingga p, 2p+a sehingga 3p, dan seterusnya. Pada selang masa di mana tiristor mengkonduksi, voltan beban adalah sama dengan voltan bekalan, vo = v. Nilai purata voltan beban ialah

Rajah 2.6 : Litar Penerus Terkawal Separuh Gelombang dengan beban rintangan tulin (a) Litar. (b) Gelombang.

Sudut picuan a boleh diubah daripada sifar sehingga p, yang mana ia akan mengubah voltan keluaran. Perhatikan bahawa pada masa a = 0, Vo = Ö2 Vp/p, di mana ia adalah sama dengan voltan keluaran yang diperolehi daripada litar penerus tak terkawal separuh gelombang yang menggunakan satu diod sahaja. Ini bermakna sekiranya tiristor  dipicu  pada a = 0, maka litar penerus ini berkelakuan seperti satu litar penerus yang menggunakan diod sahaja. Maka ini menjadi satu rujukan kepada sudut picuan untuk mendapatkan voltan keluaran yang paling tinggi.

 

2.1.1      Litar Penerus Terkawal Separuh Gelombang dengan beban berinduktif

 

 

Kebanyakan beban yang praktikal mempunyai rintangan (R) dan aruhan (L). Sebagai contoh satu angker untuk beban motor AT mempunyai rintangan dan aruhan. Manakala litar medan untuk satu motor AT mempunyai aruhan yang tinggi. Satu litar penerus terkawal menggunakan tiristor dengan beban berinduktif ditunjukkan dalam rajah 2.7(a). Tiristor dipicu pada sudut a, bermaksud ia mula berkendali pada wt = a. Aruhan yang terdapat pada beban memaksa arus untuk mengekor voltan dan menyebabkan arus berkurangan kepada sifar pada w t = b berbanding dengan w t = p yang sepatutnya apabila beban adalah rintangan tulin. Gelombang arus dan voltan keluaran ditunjukkan dalam rajah 2.7(b). Pada selang masa pengkonduksian (a sehingga b), vo = v.

Rajah 2.7 : Litar Penerus Terkawal Separuh Gelombang dengan beban berinduktif (a) Litar. (b) Gelombang.

 

 

 

2.1.1      Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh dengan beban rintangan tulin

 

 

Gelombang untuk arus beban dan voltan beban di dalam litar penerus terkawal yang menggunakan satu tiristor sahaja mengandungi riak yang agak besar. Maka litar tersebut adalah tidak sesuai untuk tujuan pengawalan kelajuan motor AT. Satu litar penerus terkawal gelombang penuh seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.8(a), yang mengandungi empat tiristor (S1 hingga S4) biasanya digunakan untuk tujuan pengawalan kelajuan motor AT.

 

Tiristor S1 dan S2 dipincang depan pada separuh kitar positif voltan masukan, dan tiristor S3 dan S4 dipincang depan pada separuh kitar negatif  voltan  masukan.  Katakan S1 dan S2  dipicu pada  sudut  a.  Pada

selang masa pengkonduksian S1 dan S2, voltan keluaran adalah sama dengan voltan masukan, vo = v. Arus beban io = vo/R mempunyai  gelombang yang sama dengan voltan keluaran vo. Maka arus yang melalui S1 dan S2 menjadi sifar pada w t = p, dan ia dimatikan. Tiristor S3 dan S4 dipicu pada p + a. Pada selang masa pengkonduksian, bekalan masukan disambungkan kepada beban dan vo = -v. Arus yang melalui S3 dan S4 menjadi sifar pada w t = 2p  dan  ia  dimatikan.  Tiristor  S1  dan  S2 dipicu lagi pada w t = 2p + a dan S3 serta S4 dipicu lagi pada w t = 3p + a, dan proses ini berulang-ulang. Gelombang voltan keluaran yang terhasil ditunjukkan dalam rajah 2.8(b).

Rajah 2.8 : Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh dengan beban rintangan tulin. (a) Litar. (b) Gelombang.

2.1.1      Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh dengan beban berinduktif

 

 

Satu litar penerus terkawal gelombang penuh dengan beban motor ditunjukkan dalam rajah 2.9(a). Arus motor io mengalir daripada bekalan melalui S1 dan S2 untuk separuh kitar dan melalui S3 dan S4 pada separuh kitar yang seterusnya.

 

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.9(b), tiristor S1 dan S2 mengalirkan arus pada selang masa a < w t < (p + a) dan menyambungkan bekalan kepada motor (vo  =  v). Pada p + a, tiristor S3   dan S4 dipicu. Voltan bekalan muncul segera pada tiristor S1 dan S2  sebagai voltan pincang songsang dan mematikannya. Arus motor yangmengalir melalui S1 dan S2 dipindahkan kepada S3 dan S4. Tiristor S3 dan S4  mengalirkan arus motor pada selang masa p + a < w t < 2p +  a  dan menyambungkan motor kepada bekalan (vo =  -v).  Di dalam rajah 2.9(c), gelombang voltan dan arus ditunjukkan pada a < 90°.  Daripada gelombang voltan keluaran, boleh dikira nilai purata voltan ialah

Rajah 2.9 : Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh dengan beban berinduktif. (a) Litar. (b) Gelombang.

 

2.1                 LITAR TIGA FASA

 

 

Untuk aplikasi kuasa tinggi, beberapa kilawatt ke atas, adalah lebih sesuai untuk menggunakan litar penerus tiga-fasa. Litar penerus tiga-fasa membekalkan gelombang voltan keluaran yang lebih baik.

 

 

2.2.1    Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh  Tiga-Fasa

 

Satu litar penerus terkawal gelombang penuh tiga-fasa  menggunakan enam tiristor, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.10(a). Litar ini merupakan litar penerus terkawal yang paling biasa digunakan.

 

Tiristor S1, S3 dan S5 dipicu pada separuh kitar positif voltan fasa bekalan di mana ia disambungkan, dan tiristor S2, S4 dan S6  pula dipicu  pada separuh kitar negatif voltan fasa bekalan. Rujukan untuk sudut picuan ialah titik persilangan di antara voltan-voltan fasa. Ketika mana suatu tiristor dipicu ditandakan di dalam rajah 5.10b untuk a = 30°.  Dengan menggangap arus keluaran io adalah berterusan dan tidak mengandungi riak seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2.10(b). Pada w t = p/6 + a, S1 dihidupkan. Sebelum itu S6 telah dihidupkan.  Maka pada selang masa (p/6 + a) < w t < (p/6 + a + p/3), tiristor S1 dan S6 mengkonduksikan arus keluaran dan terminal motor disambungkan kepada fasa A dan fasa B, menyebabkan voltan keluaran vo = vAB = vAN – vBN. Voltan keluaran vo, ialah jarak diantara sampul voltan fasa vAN dan vBN, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah dalam rajah 2.10(b). Pada w t = p/6 + a + p/3, tiristor S2 dipicu dan dengan segera voltan vCB muncul melintangi S6 menyebabkannya dipincang  songsang  dan dimatikan. Arus pada S6 dipindahkan kepada S2. Terminal motor disambungkan kepada fasa A melalui S1 dan fasa C melalui S2 menjadikan vo = vAC. Proses ini berulang setiap 60° di mana satu tiristor dipicu. Perhatikan bahawa tiristor dinomborkan mengikut turutan di mana ia dipicu. Setiap tiristor akan mengkonduksi untuk 120° dalam satu kitar. Nilai purata untuk voltan keluaran ialah:

Rajah 2.10 : Litar Penerus Terkawal Gelombang Penuh Tiga-fasa

                      dengan beban berinduktif. (a) Litar. (b)  Gelombang.