1

Makalah Mata Kuliah Traksi dan Sistem Transportasi Listrik

KONVERTER SINKRON

PADA TRAM DAN KERETA API

Oktarico Susilatama PP (21060110141053)

oktaricopradana@yahoo.co.id

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro,

Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia

Abstrak – Daya arus bolak-balik pada tegangan tinggi

dapat ditransmisikan lebih murah untuk jarak yang

sangat jauh dan berubah menjadi tegangan rendah untuk

penggunaan industri, tetapi penggunaan daya arus

searah lebih disukai untuk beberapa penggunaan seperti

pada lampu busur pada lentera gambar bergerak, dan

sangat dibutuhkan pada penggunaan lainnya seperti

pada electroplating dan pengisian batere. Untuk alasan

ini seringkali dibutuhkan untuk mengkonversi atau

menyearahkan arus bolak balik kedalam daya arus

searah. Untuk konversi daya dalam jumlah besar

biasanya menggunakan konverter sinkron (biasanya

disebut konverter putar) dan untuk konversi dalam

jumlah kecil dapat menggunakan konverter atau rectifier.

Rectifier dapat berupa busur merkuri, elektrolit, dan tipe

bergetar

Kata kunci :arus kontinu, konverter sinkron,

efisiensi,kereta api

I PENDAHULUAN

Suplai arus kontinu pada system trem

dan kereta api tidak dapat tergantung pusat

gardu daya arus kontinu, pada perhitungan

tegangan transmisi rendah. Lebih lagi, pada

beberapa kasus, site pusat untuk gardu daya

tidak mungkin tersedia. Sehingga, dibutuhkan

system transmisi tegangan tinggi dengan gardu

induk pada daya yang di distribusikan ke

jaringan rendah. Dikarenakan system yang

ekonomis pada umumnya ialah arus bolak

balik tiga fasa, gardu induk harus mengandung

mesin mesin rotasi untuk konversi dari arus

bolak balik ke arus kontinu. Mesin mesin yang

tersedia untuk tujuan ini terdiri dari (1)

konverter putar(2) motor-generator (3)

konverter-motor. Akan tetapi pada bahasan ini

hanya akan dibahas mengenai konverter

sinkron. Konverter sinkron merupakan mesin

tunggal, yang terdiri dari system medan

magnet stationer dan jangkar dengan

komutator dan slip ring; Kumparan jangkar

biasanya dari tipe rangkaian ganda arus

kontinu yang memiliki hubungan dengan slip

ring pada titik yang tepat. Kumparan jangkar

oleh karena itu diposisikan untuk arus bolak

balik dan sisi arus kontinu. Akibatnya, rasio

yang tetap terjadi antara tegangan tersebut dan

jika tegangan pada sisi arus kontinu

divariasikan, variasi harus mengandung

perubahan tegangan pada sisi arus bolak balik

atau perubahan bentuk gelombang distribusi

fluks. Dikarenakan tegangan pada sisi arus

bolak balik lebih rendah dari pada sisi arus

kontinu tersebut; Transformator dibutuhkan

untuk mengoperasikan mesin dari rangkaian

suplai tegangan tinggi.

II. KONVERTER SINKRON

2.1 KONSTRUKSI KONVERTER SINKRON

Daya arus searah selalu diperoleh dari motor-

generator set yang terdiri dari dua mesin yang

berbeda yang secara mekanik terhubung, satu

motor arus bolak-balik, dan generator arus

searah lain, dan berada dibawah kondisi

kombinasi yang digunakan. Tipe dari motor

yang biasanya digunakan ialah motor sinkron,

yang terhubung dengan generator arus searah

compound-wound. Seperti ditunjukan pada

gambar 1

2

Gambar 1 Konverter motor-generator. Motor

pada sisi kanan merupakan motor sinkron yang

beroperasi pada 2300 volt. Generator arus

searah berada disisi kiri yang menghantarkan

daya 275kW pada tegangan 550 V

Tetapi daripada menggunakan dua

mesin yang terkopel, lebih baik

mengkombinasikan dua mesin tersebut

menjadi satu mesin yaitu konverter. Konverter

sinkron (atau putar) merupakan mesin yang

berupa kombinasi dari motor sinkron tipe

jangkar yang berputar dan generator arus

searah. Seperti ditunjukan pada gambar 2. Arus

bolak balik memasuki kumparan jangkar

melalui collector rings yang ditunjukan pada

kanan mesin dan menyebabkan jangkar untuk

tersinkronisasi dengan arus bolak balik.

Sehingga terdapat jangkar putar dengan arus

bolak balik yang bergelombang maju mundur

melewati kumparan. Kumparan jangkar dari

generator arus searah membawa arus bolak

balik dan komutator tersebut terhubung dengan

kumparan sehingga dapat menghantarkan arus

searah pada sikat-sikat. Hanya dibutuhkan tap

pada titik tertentu dari kumparan jangkar motor

sinkron dan menghubungkan tap tersebut pada

bagian yang tepat pada komutator dengan

tujuan untuk menghantarkan arus searah pada

bantalan sikat pada komutator. Komutator

ditunjukan pada bagian kiri dari konverter pada

gambar 2

Gambar 2 Konverter sinkron. Arus bolak balik

dicapai pada ring pengumpul pada sisi kanan

dan arus searah di hantarkan pada bantalan

sikat pada komutator sebelah kiri

Sehingga jangkar yang sama sesuai

dengan ring pengumpul dan komutator,

konverter sinkron pada medan dieksitasi

terpisah dari sumber luar arus searah,

menerima arus bolak balik pada ring dan

menghantarkan arus searah pada komutator.

Mesin ini disebut konverter sinkron dan dapat

dianggap sebagai motor sinkron yang memiliki

jangkar putar yang sesuai dengan komutator

atau sebagai generator arus searah yang

memiliki jangkar yang sesuai dengan ring

pengumpul

2.2 RASIO TEGANGAN BOLAK-BALIK

DENGAN TEGANGAN SEARAH PADA

KONVERTER SINKRON

2.2.1 SATU FASA

Diagram konverter sinkron satu fasa

ditunjukan pada gambar 3. Kutub N dan S

dieksitasi oleh arus searah dari sumber luar.

Daya arus searah dihantarkan pada ring

pengumpul A dan B dari sumber luar. Melalui

ring ini, kawat M dan N menghantarkan arus

bolak balik menuju kumparan jangkar pada

dua tap a dan b, yang berada 180 derajat listrik

terpisah. Pada contoh yang ditunjukan gambar

3, tegangan bolak-balik ( dan arus pada faktor

daya unity) dapat maksimum dan

mempertimbangkan tanda M positif, arus

jangkar dapat menyebabkan jangkar untuk

3

berputar berlawan arah jarum jam. Sehingga

pada kumparan jangkar terdapat tegangan

induksi seperti yang ditunjukan pada

kumparan. Perlu dicatat bahwa arus bolak-

balik tegangan saluran yang melawan melalui

kumparan jangkar harus dilawan melawan

tegangan induksi dan harus menghasilkan efek

motor yang cenderung untuk mengubah

jangkar pada arah searah jarum jam.

Gambar 3 diagram kumparan jangkar dan

hubungan konverter sinkron satu fasa. Pada

contoh ini nilai maksimum tegangan bolak

balik dihantarkan melalui ring menuju jangkar

pada titik tapping a dan b yang

menyebabkannya berputar. Tegangan induksi

ditunjukan oleh panah pada kumparan jangkar

yang dikirimkan menuju sikat B1 dan B2

Perlu dicatat bahwa arus bolak balik

pada contoh ini dapat mengalir langsung dari

kawat M dan N melalui kumparan netral

menuju sikat-sikat arus searah tanpa melalui

jangkar. Alat apapun terpasang pada sikat-sikat

B1 dan B2 akan menerima semua dayanya

langsung dari saluran bolak balik.

Ketika jangkar telah berubah melewati

90°, tegangan induksi antara tap a dan b

menjadi nol (lihat gambar 4). Tetapi

dikarenakan mesin tersinkron dan sefasa

dengan tegangan saluran, tegangan antara ring

AB juga menjadi nol. Sehingga tidak terdapat

arus pada kawat M dan N. Tegangan searah

pada sikat-sikat B1 dan B2 akan kembali sama

seperti sebelumnya.

Gambar 4 Jangkar pada gambar 3 telah

berputar melewati 90°. Tegangan bolak balik

antara titik tapping ialah nol. Tegangan induksi

antara sikat B1 dan B2 ialah sama seperti

gambar 3

Sehingga terdapat tegangan searah

pada sikat-sikat yang sama dengan nilai

maksimum dari tegangan bolak-balik ring.

Tentunya tegangan bolak-balik yang

diterapkan pada ring bernilai efektif, yang

selalu bernilai 0,707 dari nilai maksimumnya.

Oleh karena itu, tegangan bolak-balik pada

ring dari konverter satu fasa berkisar 0,707 dari

tegangan searah pada sikat-sikat. Tegangan

yang di gunakan untuk memaksa arus melawan

resistansi jangkar menyebabkan rasio ini

berubah-ubah dari 0,707 pada beban penuh.

Gambar 5 diagram konverter tiga fasa tiga

ring. Tegangan 3 fasa bolak-balik dibawa

menuju titik tapping abc yang memiliki jarak

yang sama pada jangkar. Tegangan induksi

dihantarkan seperti sebelumnya menuju d-c

sikat B1 dan B2

4

2.2.2 DUA FASA

Pada konverter dua fasa(empat ring),fasa

kedua di tap pada titik tengah antara tap satu

fasa, tegangan pada satu fasa berada

maksimum ketika fasa lain bernilai nol.

Sehingga tegangan pada tiap fasa pada tap dua

fasa ialah sama dengan tegangan pada tap fasa

tunggal. Oleh karena itu, tegangan bolak-balik

pada tiap fasa pada konverter dua fasa juga

0,707 tegangan searah

Gambar 6 untuk menghasilkan antara sikat

B1B2, tegangan searah yang direpresentasikan

dengan panjang ad membutuhkan tegangan

antara ring tiga fasa a-c yang maksimum yang

direpresentasikan dengan ab atau bc atau ac

atau nilai voltmeter ialah 0,707 kali ab atau bc

atau ca

2.2.3 TIGA FASA

Untuk hubungan tegangan pada

konverter tiga fasa, ditunjukan pada gambar 5

dan 6. Tiga timah di tap kedalam kumparan

jangkar pada titik a,b, dan c yang berjarak

sama dan dibawa pada slip ring A,B dan C.

Tegangan bolak-balik pada ring diterapkan

pada jangkar pada tiga titik tersebut dan

menyebabkan jangkar untuk berputar sebagai

motor sinkron.

Gambar 6 menunjukan hubungan tegangan

pada kumparan jangkar pada konverter tiga

fasa pada gambar 5. Panjang garis titik-titik

ab,bc dan ca menunjukan nilai maksimum dari

tegangan bolak-balik yang diterapkan pada

kumparan jangkar. Panjang ad menunjukan

tegangan searah antara sikat-sikat pada

komutator. Jika garis tersebut ditarik sesuai

skala dan jika kumparan jangkar diletakkan

pada lingkaran sempurna, panjang ab,bc, atau

ac akan 0,866 dari panjang ad.

Sehingga nilai maksimum dari tegangan

bolak-balik ialah 0,866 dari tegangan searah.

Tapi pengukuran tegangan bolak-balik efektif

sebelumnya ialah 0,707 dari nilai maksimum.

Sehingga niai efektif dari tegangan bolak-balik

ialah 0,707 dari 0,866 atau 0,612 dari tegangan

searah pada konverter tiga ring tiga fasa.

Tabel 1 Rasio tegangan bolak-balik dengan

tegangan searah

III. PENGONTROLAN TEGANGAN SEARAH

KONVERTER SINKRON

Motor sinkron selalu beroperasi pada

kecepatan yang tetap yang tersinkronisasi

dengan alternator arus. Sehingga,

memvariasikan kuat medan tidak akan

mempengaruhi kecepatan tapi akan

mempengaruhi faktor daya arus bolak-balik

yang diambil motor. Sama halnya, tegangan

searah selalu beberapa kali lebih besar dari

pada tegangan bolak-balik. Kuat medan pada

konverter sinkron tidak mempengaruhi

tegangan arus searah. Arus medan yang terlalu

kecil menyebabkan arus bolak-balik untuk

tertinggal dibelakang tegangan dan kuat medan

yang terlalu tinggi menyebabkan arus bolak

balik mendahului tegangan. Sehingga ketika

medan under-excited konverter memiliki faktor

daya lagging dan ketika over-excited konverter

memiliki faktor daya leading.

Oleh karena itu, ketika kita ingin

mengubah tegangan searah, secara tidak

langsung menggunakan metode pengubahan

tegangan bolak-balik , sehingga akan terjadi

perubahan pada tegangan searah. Tegangan

bolak-balik dikendalikan dengan tapping

sekunder transformator sehingga dengan cara

pensaklaran perubahan yang diinginkan dapat

dilakukan pada tegangan bolak balik yang

diterapkan pada ring untuk menghasilkan

perubahan tegangan searah pada sikat-sikat.

5

Gambar 7 diagram vektor konverter sinkron

IV. CHARGING MENGGUNAKAN

KONVERTER

Pada gambar 8 ditunjukan konverter

satu fasa kecil yang digunakan untuk

mengubah arus bolak balik menjadi arus searah

untuk penggunaan dalam busur listrik atau

pengisian batere. Penampakan dari “charging

set” menggunakan konverter ditunjukan pada

gambar 9 dan penjelasan diagram pada gambar

10.

Konverter dimulai dengan menggeser

saklar starting tiga kutub ke kanan.

Menghasilkan kompensasi kumparan medan

yang seri dengan jangkar. Sehingga konverter

memulai sebagai motor seri. Ketika kecepatan

mencapai sinkronnya, saklar starting digeser ke

kiri, menghentikan kumparan medan

kompensasi dan konverter bekerja sebagai

motor sinkron. Transformator di tap pada

beberapa titik sehingga tegangan searah dibuat

sebesar 40 volt atau serendah 25 volt, menurut

tap yang di tunjukan pada ring konverter.

Daya dari arus searah dikendalikan

dengan pengaturan rheostat yang terletak seri

dengan batere dan diatur hingga ammeter arus

searah menunjukan perubahan arus yang

sesuai. Konverter juga dilindungi terhadap

beban lebih oleh fuse dan terhadap tegangan

rendah oleh relay yang membuka saluran bolak

balik dan arus searah, pada kasus daya bolak

balik mati. Hal ini untuk mencegah batere dari

pengiriman arus kembali melewati konverter

dan meluahkan(discharge) batere. Jika

dilengkapi dengan katrol, konverter akan

bekerja sebagai motor pada 1,5 sampai 2 hp.

Dengan pengaturan yang tepat arus searah

yang diambil oleh kumparan medan, konverter

akan beroperasi pada faktor daya unity

Gambar 8. Konverter satu fasa Wagner untuk

mengubah arus bolak-balik (masuk di kiri)

menuju arus searah (dihantarkan dikanan);

dapat sebagai motor daya

Gambar 9 Konverter set satu fasa Wagner

untuk pengisisan batere yang digunakan untuk

penyalaan(ignition), penerangan dan starting

kendaraan

Gambar 10 diagram untuk konverter satu fasa

Wagner untuk pengisian batere kecil,

ditunjukan juga pada gambar 9

6

V. KONVERTER SINKRON PADA KERETA

API DAN TRAM

konverter putar merupakan mesin tunggal,

yang terdiri dari system medan magnet

stationer dan jangkar dengan komutator dan

slip ring; Kumparan jangkar biasanya dari tipe

rangkaian ganda arus kontinu yang memiliki

hubungan dengan slip ring pada titik yang

tepat. Kumparan jangkar oleh karena itu

diposisikan untuk arus bolak balik dan sisi arus

kontinu. Akibatnya, rasio yang tetap terjadi

antara tegangan tersebut dan jika tegangan

pada sisi arus kontinu divariasikan, variasi

harus mengandung perubahan tegangan pada

sisi arus bolak balik atau perubahan bentuk

gelombang dari distribusi fluks. Dikarenakan

tegangan pada sisi arus bolak balik lebih

rendah dari pada sisi arus kontinu tersebut;

Transformator dibutuhkan untuk

mengoperasikan mesin dari rangkaian suplai

tegangan tinggi.

Ketika disuplai dengan arus bolak

balik, konverter sinkron pada dasarnya

merupakan mesin sinkron dan memiliki

karakteristik dan fitur operasi pada mesin

sinkron, contohnya mesin dapat dikenakan

pada surja atau “hunt” dengan variasi pada

frekuensi masukan dan keluar dari step dengan

beban berlebih atau hubung singkat pada

system masukan. Fenomena ini umumnya di

temani dengan sparking dan flash over pada

sisi arus kontinu dan operasi mesin pada

rangkaian frekuensi tinggi (misalnya 50 siklus

dan 60 siklus).

Pada beberapa kasus, pemilihan mesin

konversi akan dipengaruhi oleh frekuensi

masukan dan tegangan arus kontinu. Dengan

pembangkit listrik modern generator turbo

besar digunakan, operasi konverter sinkron

sangat sesuai untuk tegangan arus kontinu

sampai dengan 1500 volt ketika frekuensi

masukan 25hz dan untuk tegangan sampai

dengan 750 volt ketika frekuensi masukannya

50 atau 60. Ketika tegangan yang lebih tinggi

dibutuhkan dua konverter sinkron dihubungkan

seri.

Membatasi perhatian kita pada

tegangan arus kontinu antara 500 dan 750 volt,

mesin diatas dapat dipertimbangkan pada

operasi normal. Oleh karena itu pemilihan dari

pembangkit akan dipengaruhi (1) efisiensi;

ruang yang dibutuhkan ; (3) harga

Tabel 2 nilai efisiensi konverter sinkron pada

kereta api

Rasio Tegangan dapat ditunjukan

ketika konverter sinkron sedang bekerja tanpa

beban dengan distribusi fluks sinusoidal dan

EMF masukan sinusoidal.Rasio dari tegangan

(Es) antara slip ring yang berdekatan ke

tegangan (E) pada kommutator diberikan sbb :

Dimana m ialah jumlah dari fasa kumparan

jangkar dibagi dengan tapping ke slip ring

Umumnya konverter sinkron

digunakan untuk tiga atau enam fasa (misalnya

bagian dari kumparan jangkar yang sesuai

dengan tiap pasang dari kutub dibagi kedalam

tiga atau enam bagian dengan tapping sama

besar) rasio tegangan teoritis ialah

Rasio teoritis dari arus saluran dari faktor daya

unity dan tidak ada rugi rugi, diberikan sebagai

berikut:

7

Dimana Ia, Ic, menunjukan arus saluran pada

arus bolak balik dan sisi arus kontinu masing

masing dan m menunjukan jumlah dari fasa.

Untuk mesin tiga fasa dan enam fasa

rasio arus teoritis ialah:

Rasio tegangan untuk enam fasa yang merujuk

pada tegangan antara tapping yang berdekatan

pada jangkar yang terpisah 60 derajat listrik

Rasio tegangan untuk tapping terpisah

180 derajat listrik akan sama untuk konverter

sinkron fasa tunggal

Sedangkan rasio tegangan untuk tapping yang

terpisah 120 derajat listrik akan sama untuk

konverter sinkron tiga fasa

Oleh karena itu rasio tegangan untuk

konverter sinkron enam fasa dapat memiliki

nilai 0,354, 0,707, 0,612, menurut posisi

tapping. Gambar rujukan 11 dan 12

menunjukan fasa fasa dan hubungan kuantitas

antara EMF. Ini nyata bahwa tegangan antara

tapping 1-4, 3-6, 5-2 ialah ekuivalen dengan

sistem tiga satu fasa yang berbeda fasa 120

derajat, sedangkan tegangan antara tapping 1-

3-5, 4-6-2 (gambar 9) ialah setara dengan

sistem dua tiga fasa yang berbeda fasa 180

derajat.

Gambar 11

Gambar 12

8

VI. KESIMPULAN

Berdasarkan materi pada makalah ini, maka

dapat disimpulkan beberapa hal sebagai

berikut:

1. Konverter sinkron pada dasarnya

merupakan generator arus searah

dengan tambahan ring pengumpul, tiap

ring dihubungkan secara listrik pada

batang komutator tertentu

2. Konverter sinkron dapat membawa

daya lebih tanpa overheat

3. Rasio yang tetap antara tegangan ring

a-c dan tegangan sikat d-c yang

mengharuskan penggunaan

transformator antara konverter dan

tegangan tinggi AC pada saluran

transmisi

4. Rasio tegangan efektif antara ring a-c

dengan tegangan konstan antara sikat

d-c ialah:

0,71 untuk konverter satu fasa (dua

ring)

0,71 untuk tiap fasa dari konverter

dua fasa (empat ring)

0,62 untuk tiap fasa dari konverter

tiga fasa (tiga ring)

5. Rasio arus tergantung dengan faktor

daya pada operasi konverter dan

efisiensinya

6. Konverter sinkron sesungguhnya

merupakan motor sinkron dan

generator DC yang dikombinasikan

menjadi satu mesin

7. Pada kuat medan normal konverter

menghasilkan faktor daya unity

8. Pada kuat medan tinggi (over-excited)

konverter menjadi leading

9. Pada kuat medan lemah (under-

excited) konverter menjadi lagging

DAFTAR PUSTAKA

1. Dover,A.T, Electric Traction: A

Treatise On The Application Of

Electric Power to Tramways amd

Railways, The Macmillan

Company,New York, 1917

2. Jameson,J.M, Essentials Of

Alternating Currents, Jhon Wiley &

sons, Inc, New York, 1919

3. Proceedings of ITB Vol. 21, No. 1,

1988, Indonesia

BIOGRAFI

Oktarico Susilatama P,

NIM 21060110141053,

lahir di kendal, 22 Oktober

1992, menempuh

pendidikan di SMPN 1

Semarang, SMAN 3

Semarang. Dan sekarang

sedang menempuh S1 di

Teknik Elektro Universitas Diponegoro.