Judul Materi Kuliah - aswardi.files.wordpress.com · Web viewTegangan rata-rata keluaran Vdc...

Ready for ISO 9001: 2000

Konverter AC-DC TerkendaliKonverter AC-DC Terkendali

Elektronika DayaElektronika Daya

[email protected]

A. Objektif

Setelah pelajaran ini diharapkan mahasiswa mampu:

1. Menjelaskan prinsip kerja dari penyearah terkendali 1 fasa dan 3 fasa sebagai

konverter penghasil tegangan dc variable

2. Mendeskripsikan penerapan Thyristor pada proses pengendalian tegangan

keluaran penyearah

3. Menganalisis dan mengevaluasi unjuk kerja dari penyearah terkendali.

4. Mengevaluasi factor kerja penyearah dan pengaruh distorsi harmonisa dari arus

masukan pada penyearah terkendali.

5. Menentukan besarnya tapis (filter) yang dibutuhkan pada penyearah terkendali

B. Penyearah 1 Fasa Terkendali Seperti telah dijelaskan pada modul terdahulu bahwa pada penyearah dengan dioda sebagai komponen pensakelaran akan menghasil tegangan keluaran yang tetap. Dalam hal ini untuk mengendalikan/ mengatur tegangan keluaran penyearah hanya dapat dilakukan dengan menggunakan komponen pensakelaran yang memungkinkan untuk

http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/[email protected]

1

Lisensi DokumenCopyright © 2008 ft.unp.ac.idSeluruh dokumen di e-learning FT UNP Padang dapat digunakan secara bebas oleh mahasiswa peserta e-learning untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari penulis naskah dan admin e-learning FT UNP Padang.


mengatur tegangan fasa keluaran.Tegangan keluaran dari penyearah ini dapat diatur/ dikendalikan dengan menvariasikan besarnya sudut perlambatan penyalaan dari komponen thyristor.Komponen pensakelaran thyristor dinyalakan dengan cara memberikan tegangan pulsa sesaat (Vg) yang cukup pada kaki gate. Sementara proses pemadamannya dilakukan dengan pemadaman secara natural, yaitu pemadaman dengan cara memberikan tegangan arah balik Vak(-) pada thyristor pada saat arus anoda katoda tepat sama dengan nol. Penyearah terkendali biasa juga disebut dengan converter ac-dc terkendali dan digunakan secara luas untuk keperluan industri.

Terdapat dua jenis penyearah terkendali, yaitu:

1. penyearah terkendali 1 fasa (Single phase converters)2. Penyearah terkendali 3 fasa (Three-phase converters)

Setiap jenis converter ac-dc terkendali dapat dikategorikan menjadi:

3. Konverter ac-dc semi terkendali (semiconverter)

4. konverter ac-dc terkendali penuh (full converter)5. konverter ac-dc ganda (dual ac-dc converter)

Konverter semi terkendali merupakan converter ac-dc 1 kuadran, dan hanya mempunyai 1 polaritas positif untuk tegangan dan arus keluaran.Konverter terkendali penuh sistem jembatan merupakan converter 2 kuadran, yang memungkinkan tegangan mempunyai polaritas positif (+) atau negative (-), sementara arus keluaran hanya mempunyai polritas positif (+).Konverter ganda (dual converter) merupakan converter 4 kuadran, yang memungkinkan tegangan dan arus keluaran mempunyai polaritas positif, ataupun negative.

1. Penyearah 1 Fasa Terkendali ½ GelombangGambar 5.1 berikut ini menunjukkan rangkaian daya dari suatu


2


penyearah 1 fasa ½ gelombang dengan beban resistor (R). Untuk setengah siklus positif dari tegangan sumber thyristor T mengalami tegangan arah maju yang menyebabkan thyristor konduksi (on state), dan akan aktif mulai dari t = dan menyebabkan mengalirnya arus pada beban, sekaligus menyebabkan tegangan pada sisi beban R. Bila tegangan masukan berubah arah ke negative pada t = , thyristor mengalami tegangan arah balik dan menyebabkan thyristor berubah dari keadaan on ke keadaan off (off state). Sudut perlambatan penyalaan ,didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh tegangan masukan berubah menjadi negatife dimana pada saat tersebut thyristor dinyalakan.

Gambar 5.1 – Penyearah Terkendali 1 fasa ½ Gelombangbeban Resistor (R)

Tegangan rata-rata keluaran Vdc ditentukan dengan persamaan berikut:The average output voltage Vdc is given by


3


Tegangan keluaran Vdc dapat divariasikan dari Vm/ to nol volt dengan cara memvariasikan sudut perlambatan penyalaan dari nol sampai dengan Selanjutnya besarnya tegangan rms diberikan melalui persamaan:

Contoh SoalKonverter ac-dc terkendali seperti gambar berikut dibebani dengan beban resistof dan sudut perlambatan penyalaan , Tentukan:a. tegangan dc keluaranb. arus beban c. daya yang diserap beban d. daya masukan pada sisi ac


4


Vs = Vm sin t

Solutionsudut perlambatan penyalaan

Vdc = 0.1592 Vm

2. Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang PenuhPenyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh merupakan

pengembangan dari penyearah 1 fasa ½ gelombang. Penyearah ini


5


terdiri dari empat buah komponen pensakelaran yang dapat dikendalikan secara berpasang-pasangan. Penyearah jenis ini pada umumnya banyak digunakan untuk menghasilkan catu daya teregulasi dengan kemampuan yang relatif lebih kecil. Gambar 5.3 merupakan rangkaian daya dari suatu penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh dengan beban yang dominan induktif, sehingga bentuk arus yang mengalir pada sisi beban canderung merupakan arus dc rata. Thyristor T1 and T2 mengalami tegangan arah maju selama setengah siklus dari tegangan sumber. Bila ke dua thyristor dinyalakan secara bersamaan pada t = , maka beban dihubungkan pada sumber melalui T1 dan T2. Thyristors T1 dan T2 akan terus mengantar pada daerah t = sebagai akibat penggunaan jenis beban dominan induktif. Selama setengah silus negatif, thyristor T1 dan T2 akan mengalami tegangan arah maju, dan pada saat t = + thryristor T1 dan T2 akan mengalami tegangan arah balik (reversed biased) dan akan pada (off) bersamaan dengan terjadinya komutasi alami dari tegangan sumber. Selanjutnya pada periode t , tegangan dan arus masukan akan bernilai positif dan akan mengali menuju beban. Mode operasi konverter pada kondisi ini adalah mode penyearah (rectification mode).


6


Gambar 5.3 – Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang PenuhBeban Dominan Induktof

Seperti pada gambar pada periode t + , tegangan masukan akan bernilai negatif, arus masukan bernilai positif yang menghasilkan daya mengalir pada beban dari sumber. Dalam hal ini konverter beroperasi pada mode pembalik tegangan (inverter mode). Konverter ini dapat menyulai daya dengan operasi 2 kuadrant dimana tegangan keluaran dapat bernilai positif, ataupun negatif dan sangat ditentukan oleh nilai sudut perlambatan penyalaan.

Tegangan keluaran rata-rata dinyatakan persamaan:

Tegangan keluaran dapat divariasikan dalam range 2Vm/


7


sampai dengan -2Vm/ dengan cara memvariasikan sudut perlambatan penyalaan dari 0 sampai dengan . Besarnya tegangan efektif keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan:

3. Penyearah 3 Fasa ½ Gelombang

Penyearah terkendali 3 fasa ½ gelombang menghasilkan tegangan keluaran pada sisi beban yang lebih tinggi dibandingkan dengan penyearah 1 fasa sistem jembatan. Demikian juga frekuensi riak tegangan keluaran converter ac-dc 3 fasa lebih tinggi dibandingkan dengan penyearah terkendali fasa tunggal. Gambar 5.4 memperlihatkan gelombang tegangan masukan dan keluaran penyearah 3 fasa ½ jembatan. Seperti pada gambar 5.4, thyristor T1

dinyalakan pada t = /6 + oleh karena Van mempunyai sudut lebih positif pada interval /6 t 5/6. Thyristor T2 dinyalakan pada t = 5/6 + karena Vbn mempunyai sudut fasa yang lebih positif pada 120° listrik berikutnya. Jika Thyristor T2 dalam keadaan konduksi , thyristor T1 akan berada dalam keadaan off state sejalan dengan nilai tegangan fasa ke fasa Vab berada dalam kondisi negative. Thyristor T3 akan dinyalakan pada saat t = 3/2 + bersamaan dengan itu thyristor T2 akan berada pada keadaan off .


8


Gambar 5.4 Penyearah Terkendali 3 Fasa ½ Gelombang

Arus beban pada gambar 5.4 merupakan arus continue disebabkan oleh beban merupakan beban yang dominan induktif. Khusus untuk beban resistof murni dan sudut perlambatan penyalaan > /6, maka arus beban akan merupakan arus discontinue, dan


9


setiap thyristor mengalami komutasi pada saat polaritas tegangan fasa akan berada pada daerah negative. Frekuensi dari riak tegangan keluaran pada keadaan ini adalah sebesar 3fs, dengan fs merupakan frekuensi tegangan suplai. Konverter ini biasanya tidak digunakan pada rangkaian sederhana oleh karena arus masukan mengandung komponen dc yang cukup besar.

Khusus untuk arus beban continue, tegangan rata-rata pada sisi keluaran pada sisi beban ditentukan dengan cara:

Selanjutnya tegangan efektif pada sisi keluaran dinyatakan dalam bentuk:

Untuk beban resistif dan /6, maka tegangan rata-rata pada sisi beban dinyatakan dalam bentuk:

Dan tegangan efektif pada sisi beban untuk beban resistof dinyatakan dengan:


10


4. Penyearah 3 Fasa Semi Terkendali

Gambar menyusul

Gambar 5.5 Konverter ac-dc 3 fasa Semi Terkendali dengan Beban Dominan Induktif.

Gambar menyusul

Gambar 5.6 Gelombang Tegangan Keluaran padaThree-Phase Semiconverter for < /3

Gambar 5.5. dan 5.6 menunjukkan converter ac-dc 3 fasa semi terkendali dengan beban dominant induktif. Untuk sudut perlambatan penyalaan /3

Sudut perlambatan penyalaan akan bervariasi dari 0 and . Untuk perioda /6 t 7/6, thyristor T1 akan mengalami tegangan


11


arah maju (forward biased) dan jika dinyalakan pada t = /6 + , thyristor T1 dan dioda D1 akan melewatkan tegangan suplai vac pada beban. Selanjutnya pada t = 7/6, tegangan sumber (line voltage) vac akan mulai memasuki nilai negatif. Hal ini disebabkan karena dioda freewheeling Dm mengalirkan arus beban disebabkan thyristor T1 dan dioda D1 berada dalam keadaan off. Setiap thyristor akan konduksi pada selang - dengan range kecil dari 2/3.

Untuk sudut perlambatan penyalaan /3Pada kondisi ini setiap thyristor akan konduksi bersamaan

dengan 2 buah dioda (satu dioda dan 1 buah thyristor konduksi pada saat yang bersamaan) pada interval 2/3.

Tegangan Keluaran Konverter Semi TerkendaliPersamaan tegangan system 3 fasa dinyatakan dalam bentuk:

Tegangan jarring dari system 3 fasa dinyatakan dalam bentuk persamaan:


12


Dimana Vm merupakan tegangan fasa maksimum.

Untuk sudut perlambatan penyalaan /3

Pada kondisi ini tegangan keluaran merupakan tegangan discontinue, dan besarnya tegangan keluaran rata-rata dinyatakan dalam bentuk:

Tegangan keluaran maksimum terjadi pada saat = 0 dan ditentukan dengan cara:

Tegangan keluaran efektif dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut:

Untuk sudut perlambatan penyalaan /3

Pada kondisi ini tegangan keluaran merupakan tegangan


13


continue, dan dinyatakan dalam bentuk persamaan:

Nilai efektif tegangan keluaran pada sisi beban ditentukan dengan cara:

5. Penyearah 3 Fasa Terkendali Sistem JembatanPenyearah 3 fasa terkendali sistem jembatan merupakan

penyearah 3 fasa gelombang penuh. Diagram penyearah 3 fasa gelombang penuh dengan beban dominant induktif diperlihatkan pada gambar 5.7 bersama-sama dengan gelombang tegangan dan arus pada sisi masukan dan keluaran.


14


Gambar 5.7 Konverter 3 Fasa Terkendali Gelombang Penuh

Konverter jenis ini merupakan converter 3 fasa dengan operasi 2 kuadran, dimana thyristor dinyalakan pada interval /3. Oleh karena thyristor dinyalakan setiap selang 60°, maka frekuensi dari tegangan riak keluaran adalah 6 kali frekuensi tegangan sumber. Pada interval t = /6 + thyristor T6 sudah berada dalam keadaan aktif (on state) dan thyristor T1 dinyalakan. Pada interval /6 t /2, thyristor T1 dan T6 konduksi dengan tegangan jaring Vab dirasakan pada sisi beban. Selanjutnya pada interval t = /2 + thyristor T2 diaktifkan bersamaan dengan tidak aktifnya (off state) thyristor T6 dengan komutasi natural. Hal ini disebabkan karena pada saat thyristor T2 diaktifkan, tegangan jaring pada thyristor T6 berada pada nilai positif (Vbc), sehingga thyristor T6 mengalami tegangan arah balik. Kemudian pada interval (/2 + ) t (5/6 + ),


15


thyristor T1 dan T2 akan konduksi dan menyebabkan tegangan beban sama besar dengan tegangan jaring (line to line voltage). Urutan konduksi dari ke 6 buah thyristor akan mengikuti pola T1T2, T3T3, T3T4, T4T5, T5T6, dan T6T1.

Penentuan Besarnya tegangan rata-rata dan tegangan efektif (rms) pada sisi beban.

Dengan memisalkan tegangan fasa netral dinyatakan dalam bentuk:

Hubungan tegangan jaring (line to line voltages) dinyatakan dalam bentuk persamaan:

Nilai tegangan keluaran rata-rata (average output voltage) ditentukan dengan persamaan:


16


Besarnya tegangan maksimum keluaran pada sisi beban diperoleh pada sudut perlambatan penyalaan = 0, dan dinyatakan dengan:

Nilai tegangan efektif pada sisi beban ditentukan dengan persamaan:

C. EVALUASI1. Penyearah 3 fasa terkendali ½ gelombang dengan beban resistor

murni sebesar 100 ohm (gambar 5.4). Gambarkan bentuk gelombang tegangan dan arus masukan dan keluaran dengan

sudut perlambatan penyalaan , serta tentukan:

a. Gambarkan rangkaian daya dan jelaskan cara kerja penyearah tersebut.

b. Tegangan Vdc (rata2) dan tegangan Vdc (efektif)c. Arus dan daya pada beban

2. Penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh dengan beban resistor murni sebesar 100 ohm seperti gambar 5.7.


17


Gambarkan bentuk gelombang tegangan dan arus masukan

dan keluaran dengan sudut perlambatan penyalaan , serta

tentukan:a. Gambarkan rangkaian daya dan jelaskan cara kerja penyearah

tersebut.b. Tegangan Vdc (rata2) dan tegangan Vdc (efektif)c. Arus dan daya pada beban

Catatan: Tugas ini harus Saudara dikerjakan masing-masing. Jawabannya dikirim lewat email dengan alamat seperti yang tertera pada modul ini dan telah sampai pada Dosen Pembimbing paling lambat 2 minggu terhitung dari tanggal modul ini Saudara download. Harap sertakan keterangan tanggal Saudara men download modul ini.Penilaian jawaban modul ini akan memperhitungkan jawaban yang masuk tepat pada waktunya

D. PENUTUPPembahasan yang telah dilakukan pada bagian ini telah

menyelesaikan materi mengenai penyearah (rectifier) 3 fasa terkendali, khususnya penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh dengan menggunakan transformator. Pemahaman tentang cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat (rumus akhir dari setiap pembahasan) tetap merupakan fokus dari materi ini. Agar pemahaman Saudara lebih mantap, coba Saudara


18


kerjakan lagi soal yang ada tanpa melihat modul ini. Saudara dipastikan telah dapat memahami materi dalam modul ini dengan baik, jika Saudara dapat mengerjakannya tanpa melihat catatan,.

E. Daftar Pustaka1. Cyril W. Lander (1981), Power Electronics 2. DA Badley (1995), Power Electronics 3. PC. Sen (1985). Principles of Electrical Machines and Power

Electronics.4. Mohan (1989), Power Electronics, Converter Application and

Design.Biografi Penulis

Aswardi, lahir di Bukit Tinggi 21 Februari 1959. Menamatkan pendidikan pada jenjang strata 1 (S1) pada Fakultas pendidikan Teknologi dan Kejuruan (FPTK) IKIP Padang tahun 1983. Melanjutkan pendidikan pada jenjang Magister Teknik (S2) pada tahun 1996 di Institut Teknologi Bandung dan selesai pada tahun 1999 pada bidang Mesin-mesin Listrik dan Elektronika Daya. Meminati dan menekuni penelitian bidang Mesin listrik dan Elektronika Daya, serta Electric Drive


19

Judul Materi Kuliah - aswardi.files.wordpress.com · Web viewTegangan rata-rata keluaran Vdc...

Documents

Transcript of Judul Materi Kuliah - aswardi.files.wordpress.com · Web viewTegangan rata-rata keluaran Vdc...