Sistem pengendali Elektronika Daya

8/9/2019 Sistem pengendali Elektronika Daya

1/24

297

4.2 Sistem PengendaliElektronika Daya

4.2.1 Pendahuluan

Elektronika daya merupakan salah satubagian bidang ilmu teknik listrik yangberhubungan dengan penggunaankomponen-komponen elektronika untukpengendalian daya yang besar. Eraelektronika daya dimulai denganteknologi tabung daya tinggi sepertithyratron, ignitron dan penyearahmerkuri. Dengan ditemukannyakomponen-komponen semikonduktor

seperti SCR, triac, dan lain-lainmembuat elektronika daya menjadibagian yang sangat penting dalampengendalian daya listrik yang besardan sangat luas penggunaannya.

Elektronika daya menggabungkan daya,elektronika dan kontrol. Daya terkaitdengan peralatan-peralatan daya baikyang tidak bergerak maupun yangberputar untuk pembangkitan, transmisi

dan distribusi daya listrik. Elektronikaterkait dengan piranti-piranti danrangkaian solid-state untuk pemrosesansinyal listrik guna mendapatkan tujuanpengendalian yang dikehendaki. Kontrolmenyangkut sistem kontrol operasiperalatan dan sistem agar dapatberoperasi sesuai yang diharapkan.Jadi, Elektronika daya merupakanaplikasi dari elektronika solid-state untuk

kontrol dan konversi tenaga listrik.Berikut ini adalah gambaran tentangruang lingkup elektronika daya yangmeliputi: penyearah, inverter, DCchopper, dan regulator AC.

Gambar 4.25 Ruang lingkup

elektronika daya


2/24

298

4.2.1.1 Penyearah

Penyearah adalah suatu alat yangdigunakan untuk mengubah arus ACmenjadi DC. Pada umumnya, darisumber tegangan AC dan frekuensiyang tetap menjadi tegangan DC baiktetap maupun berubah. Penyearah yangmempunyai tegangan keluaran tetap,atau penyearah tak terkontrol,digunakan untuk mencatu daya DCpada peralatan-peralatan yang tidakmemerlukan pengaturan daya masukandalam operasinya.

Sedangkan penyearah yang mempunyai

tegangan keluaran dapat diubah-ubah,atau penyearah terkontrol, terutamauntuk peralatan-peralatan listrik yangdalam operasinya memerlukan penga-turan daya, misalnya untuk kontrolkecepatan pada motor DC.

4.2.1.2 Regulator AC

Regulator AC digunakan untukmendapatkan tegangan keluaran ACyang dapat diubah-ubah dari sumbertegangan AC yang tetap. Alat ini banyakdigunakan untuk mengaturpencahayaan lampu, pemanas, danmotor-motor AC. Ada dua macamregulator AC, yaitu kontrol On-Off dankontrol sudut fasa.

4.2.1.3 Inverter

Inverter adalah alat yang digunakanuntuk mengubah tegangan DC menjaditegangan AC. Jenis-jenis tegangan DCyang dikonversikan ke AC antara lainadalah:

Tegangan DC baterai diubah menjaditegangan AC dengan frekuensi tetapatau berubah, fasa-satu atau fasa-tiga

Tegangan sumber AC disearahkan,kemudian diubah menjadi AC kembalidengan frekuensi tetap maupunberubah, fasa-satu atau fasa-tiga

Aplikasi inverter, antara lain adalah:

Pembangkitan tegangan AC tetapfrekuensi 50 Hz dari sumber DC yangdiperoleh dari baterai, pembangkitlistrik tenaga angin, sel surya.

Kontrol kecepatan motor induksi fasa-

tiga dan motor sinkronUninterrupted Power Sistems (UPS)

Catu daya standby, dan lain-lain

4.2.1.4 Dc-Chopper

Dc-chopper digunakan untuk mengubahtegangan DC tetap menjadi teganganDC variabel. Dc-chopper digunakanuntuk mengendalikan kecepatan motor

DC dengan sumber dari baterai ataucatu daya DC.

4.2.2 KomponenSemikonduktor Daya

4.2.2.1 Dioda Daya

Dioda daya merupakan salah satukomponen semikonduktor yang banyak

digunakan dalam rangkaian elektronikadaya seperti pada rangkaian penyearah,freewheeling (bypass) pada regulator-regulator penyakelaran, rangkaianpemisah, rangkaian umpan balik daribeban ke sumber, dan lain-lain. Dalampenerapannya, seringkali, dioda dayadianggap sebagai saklar ideal walaupundalam prakteknya ada perbedaan. Konstruksi dioda

Konstruksi dioda daya sama dengandioda-dioda sinyal sambungan pn.Bedanya adalah dioda daya mempunyaikapasitas daya (arus, tegangan) yanglebih tinggi dari dioda-dioda sinyal biasa,namun kecepatan penyaklarannya lebihrendah. Dioda daya merupakankomponen semikonduktor sambunganPN yang mempunyai dua terminal, yaituterminal anoda (A) dan katoda (K).Gambar 4.26 menunjukkan simbol dankonstruksi dioda.


3/24

299

Gambar 4.26 Simbol dan konstruksi dioda

Karakteristik Dioda

Karakteristik dasar dioda dikenaldengan karakteristik V-I. Karakterisik inipenting untuk dipahami agar tidak terjadi

kesalahan dalam aplikasi dioda. Dalamkarakteristik ini dapat diketahuikeadaan-keadaan yang terjadi padadioda ketika mendapat tegangan bias-maju (forward biased) dan teganganbias-mundur (reverse biased) sepertiditunjukkan pada Gambar 4.27.

Gambar 4.27 Karakteristik dioda

a) Bias-maju,

b) Bias-mundur,c) Karakteristik V-I

Jika kedua terminal dioda disambung-kan ke sumber tegangan dimana

tegangan anoda lebih positif dibanding-kan dengan katoda, dioda dikatakandalam keadaan bias-maju (forwardbiased). Sebaliknya, bila tegangananoda lebih negatif dari katoda, dioda

dikatakan dalam keadaan bias-mundur(reverse biased).

Karakteristik bias-maju

Bila dioda dihubung dalam keadaanbias-maju, di mana potensial Anodalebih tinggi dibandingkan Katoda atauVAK > 0 dan bila tegangan VAK lebih be-sar dari tegangan cut-in atau teganganthreshold atau tegangan turn-onnya, Vct

(0,7 V untuk silikon, 0,4 V germanium),maka dioda akan konduksi (mengalirkanarus) atau ON. Besar arus yangmengalir ditentukan oleh tegangansumber dan beban yang terpasang.Dalam keadaan konduksi ini ada satuhal yang sangat penting untuk diketahuiadalah terjadinya tegangan jatuh majuyang besarnya tergantung pada prosesproduksi dan temperatur sambungan-nya. Namun bila VAK < Vct, dioda masihdalam keadaan OFF, walaupun adaarus yang mengalir namun sangatlahkecil. Arus disebut arus bocor arahmaju.

Karakteristik bias-mundur dantegangan dadal

Jika VAK < 0 atau anoda lebih negatif da-ri katoda dikatakan dioda dalam kea-daan bias-mundur. Dalam keadaan ini

dioda dalam keadaan tidak konduksiatau OFF. Dalam keadaan ini ada arusyang yang mengalir dari arah katoda keanoda yang sangat kecil, dalam ordemikro atau miliamper. Arus ini disebutarus bocor.

Jika tegangan mundur (VKA) melebihisuatu tegangan yang telah ditentukan,yang dikenal dengan tegangan dadal(breakdown voltage), V

BR, maka arus

arah mundur akan meningkat tajam


4/24

300

dengan sedikit perubahan pada tegang-an Vbr. Keadaan ini tidak selalumerusak dioda bila masih terjaga padalevel aman seperti yang ditentukandalam data sheetnya. Bila tidak, maka

dioda akan rusak. Rating dioda

Ada dua rating dioda daya yang palingpenting untuk diketahui, yaitu tegangandadal arah-mundur (reverse breakdownvoltage), dan arus arah-majumaksimumnya (forward current). Hargadioda meningkat dengan semakin tinggikedua rating ini. Oleh karena itu, dalamaplikasinya, dioda dioprasikan

mendekati tegangan puncak-mundurmaksimum dan rating arus majunya.Jadi, dioda akan konduksi bila VAK > Vcut-in. Dioda akan Off bila VAK < Vcut-in atauVAK < 0.

4.2.2.2 Jenis-jenis diodaBerdasarkan karakteristik dan batasan-batasan dalam penerapannya, diodadiklasifikasikan ke dalam tiga kelompok,yaitu dioda standard (dioda untukkeperluan umum), dioda kecepatantinggi, dan dioda Schottky.

Dioda standard

Dioda standar ini merupakan jenis diodayang digunakan untuk keperluan umum.Dioda ini digunakan dalam aplikasi-aplikasi kecepatan rendah, sepertipenyearah dan konverter denganfrekuensi masukan sampai 1 kHz. Dioda

ini mempunyai rating arus dari 1 sampairibuan ampere dan tegangan dari 50 Vsampai 5 kV.

Dioda kecepatan tinggi

Dioda jenis ini mempunyai kemampuanpenyaklaran dengan dengan kecepatanyang lebih tinggi dari dioda standard.Oleh karena itu, dalam penggunaannyabiasa diaplikasikan pada rangkaian DC-chopper (DC-DC) dan inverter (DC-AC)

di mana aspek kecepatan merupakanfaktor yang sangat penting. Diode jenis

ini mempunyai rating arus lebih kecildari 1 A sampai ratusan ampere,dengan dari 50 V sampai 3 kV.

Dioda Schottky

Dioda Schottky dibangun dengan mere-

kayasa pada sambungan PN sehinggasangat cocok untuk aplikasi-aplikasicatu daya DC dengan arus tinggi dantegangan rendah. Rating tegangandibatasi sampai 100 V dengan arus dari1 300 A. Walaupun begitu, diode ini

juga cocok digunakan untuk catu dayaarus rendah untuk meningkatkanefisiensinya.

4.2.2.3 ThyristorThyristor atau SCR (Silicon-ControlledRectifier) adalah piranti semikonduktoryang sangat penting dalam aplikasielektronika daya. Hal ini tidak lepas darikemampuan yang dimiliki, yaknikemampuan penyakelarannya yangcepat, kapasitas arus dan teganganyang tinggi serta ukurannya yang kecil.Komponen ini dioperasikan sebagaisaklar dari keadaan tidak konduksi (Off)menjadi konduksi (On).

Konstruksi dan Karakteristik SCRThyristor merupakan pirantisemikonduktor empat lapis pnpn, yangmem-punyai tiga terminal, yaitu Anoda,Katoda dan Gate seperti ditunjukkanpada Gambar 4.28.

Gambar 4.28 Simbol dan konstruksi thyristor

Jika tegangan anoda dibuat positifterhadap katoda maka sambungan J1

dan J3 mendapat bias maju sebaliknyaJ2 mendapat bias mundur sehingga ada


5/24

301

arus bocor kecil yang mengalir darikatoda ke anoda. Dalam keadaanseperti ini, thyristor dalam keadaan off(terhalang) dan arus bocor keadaan off.

Jika tegangan anoda-katoda, VAK

dinaikkan terus sampai suatu hargatertentu sehingga mampu menjebol J2,thyristor dikatakan dalam keadaanbreakdown bias maju. Tegangan yangmenyebabkan breakdown ini disebutVBO. Karena J1 dan J3 dalam keadaanbias maju maka akan mengalir arusyang sangat besar dari anoda ke katodadan thyristor dikatakan dalam keadaankonduksi atau On. Jatuh tegangan maju

merupakan jatuh tegangan akibatresistansi dari keempat-lapisan, yangbesarnya, tipikal 1 V. Dalam keadaanOn ini arus anoda dibatasi oleh bebanluar. Arus anoda harus lebih besar dariarus latchingnya, IL agar piranti ini tetapdalam keadaan On. IL merupakan arusanoda minimum yang diperlukan agarthyristor tetap dalam keadaan On, bilatidak, piranti ini akan kembali pada

keadaan Off bila tegangan anoda kekatodanya diturunkan. Karakteristik v-itipikal thyristor ditunjukkan padaGambar 4.29.

Gambar 4.29 Karakteristik thyristor

Sekali thyristor konduksi maka sifatnyasama seperti dioda dalam keadaankonduksi dan tidak dapat dikontrol.

Namun, apabila arus diturunkan sampaidengan arus holdingnya, IH thyristor

akan kembali pada keadaan off. Arusholding ini dalam ukuran miliampere danlebih rendah dari arus latchingnya. Jadiarus holding IH adalah arus anodaminimum yang menjaga agar thyristor

dalam keadaan on.Apabila tegangan katoda lebih tinggiterhadap anoda, sambungan J2 meng-alami bias maju sementara J1 dan J3mengalami bias mundur. Thyristor akanmenjadi dalam keadaan off dan akanada arus kecil yang mengalir yangdisebut arus bocor bias mundur, IR.Namun bila tegangan katoda-anodadinaikkan terus sampai mencapai

tegangan dadalnya, maka akan adaarus yang tinggi mengalir dari arahkatoda ke anoda yang mengakibatkanrusaknya thyristor.

Dalam operasi normalnya, tegangan VAKselalu ada di bawah VBO, dan VKA selaludi bawah VBD. Dengan VAK yang lebihrendah dari VBO, untuk membuat thyris-tor menjadi on dilakukan dengan mem-berikan tegangan positif pada terminalgate-nya terhadap katoda. Denganmemberikan tegangan positif pada gatesama halnya dengan memberikan arusgate, IG membuat thyristor dari offmenjadi on. Semakin besar IG makategangan arah maju untuk membuatthyristor konduksi semakin rendahseperti yang ditunjukkan pada Gambar2.29, karakteristik forward. Sekali arustrigger diberikan akan membuat thyristor

on dan selama arus anodanya tidakkurang dari arus holdingnya makathyristor akan tetap on walaupun arustriggernya dihilangkan.

Rangkaian trigger

Ada tiga hal yang penting dalam kaitan-nya dengan rangkaian penyalaan(trigger) suatu thyristor, yaitu:1. pemilihan rangkaian yang cocok

guna mencatu sinyal penyalaan


6/24

302

2. penentuan tegangan dan arustrigger maksimum agar ratinggatenya tidak dilampaui

3. penentuan tegangan dan arus gateminimum untuk memastikan bahwa

bila sinyal penyalaan diberikanthyristor akan konduksi (on).

Banyak model rangkaian yang bisadipilih sebagai rangkaian trigger untukmenyalakan thyristor. Sebelumrangkaian dirancang untuk mentriggersuatu thyristor, spesifikasi gate harusdiperhatikan. Spesifikasi gate untukdapat dilihat dari data sheet pabrikpembuatnya.

Proteksi thyristorSetiap thyristor akan mengalamipemanasan akibat arus yang mengalir didalamnya. Pemanasan ini harus dibatasiuntuk mencegah dari panas lebih yangbisa mengakibatkan rusaknyakomponen. Untuk menghindari daripemanasan lebih, setiap thyristor atausatu kelompok thyristor selalu dipasangdengan alat pendinginnya sesuaidengan kapa-sitasnya.Selain itu komponen ini juga harusdiamankan dari: (a) arus beban lebih,(b) di/dt dan c) dv/dt).

Proteksi dari arus beban lebih

Untuk mengatasi dari arus beban lebih,thyristor diamankan dengan sekering(pengaman lebur). Pemasang-an peng-aman ini bisa dilakukan melalui peng-

amanan fasa atau pengamanan cabangseperti ditunjukkan pada Gambar 4.30.

Gambar 4.30 Proteksi dari arus beban lebih:proteksi fasa dan proteksi cabang

Proteksi di/dtdi/dt adalah tingkat perubahan arusyang mengalir melalui thyristor ketikaterjadi perubahan kondisi dari off ke on.Ketika terjadi perubahan keadaan dari

off ke on, maka akan terjadi tingkatperubahan arus di/dt ini. Tingkat peru-bahan arus ini harus dibatasi untukmenghindari pemanasan lebih padadaerah sambungan (junction) yang bisamengakibatkan rusaknya komponen.Oleh karena itu, di/dt harus di bawahspesifikasi di/dt maksimum komponen.Hal ini dapat dilakukan dengan mema-sang induktor L secara seri dengan

komponen. Secara pendekatan, di/dtmaksimum dapat dihitung melaluipersamaan:

di/dtmaks = Vm/L [A/s],

di mana Vm adalah tegangan masukanmaksimum (V) dan L adalah induktansi(L) induktor yang dipasang seri.

Proteksi dv/dt

Proteksi terhadap tegangan lebihdilakukan dengan memasang rangkaianRC secara paralel dengan thyristorseperti yang ditunjukkan pada Gambar4.31.

Gambar 4.31 Proteksi terhadap teganganlebih

Setiap thyristor mempunyai spesifikasidv/dt maksimumnya. Ketika thyristorberubah dari keadaan off ke on, makaakan terjadi tingkat perubahan teganganyang sangat cepat yang disebut dengan

dv/dt. Tingkat perubahan tegangan initidak boleh melebihi dv/dt maksimum-


7/24

303

nya. Bila ini terjadi, maka thyristor akanon dengan sendirinya sehingga tidakbisa dikendalikan lagi. Hal ini harus di-cegah, yaitu dengan memasang RC iniparalel dengan thyristor. Rangkaian RC

ini dikenal dengan rangkaian Snubber.Secara pendekatan dv/dt dapat dihitungdengan menggunakan persamaan:

LC

V

dt

dv= dan

C

LR =

Jadi, dengan pemilihan L, C, dan Rpada rangkaian, dv/dt pada thyristordapat dibatasi pada harga yang aman.Tipikal, C = 0,1F, R=100 O 1 k O.Dari uraian yang telah dijelaskan di atasdapat disimpulkan hal-hal sebagaiberikut:

Thyristor akan On pada dua kondisi:(1) VAK = VBO; (2) 0 < VAK < BO dan IG> 0; dan dv/dt melebihi spesifikasidv/dt (data sheet) komponen.

Thyristor dalam keadaan Off padakondisi: (1) VAK < VBO dan IG = 0; (2)VAK > 0, IG > 0; (3) VAK 0 atau IG


8/24

304

Gambar 4.34 Simbol dan karakteristik diac

Gambar 4.35 Contoh diac

Piranti semikonduktor lima-lapis dengangate disebut Triac, yang konstruksinyaditunjukkan pada Gambar 4.33 (b).Dengan adanya gate pada triacmemungkinkan untuk mengubahkarakteristik V-I dengan memasukkanatau mengeluarkan arus ke/dari pirantiini sehingga dapat break over padategangan yang lebih rendah daritegangan break over normalnya (tanpaarus gate).

Gambar 4.36 Simbol dan karakteristik Triac

Bila thyristor hanya beroperasi padadaerah forward, triac bekerja padakedua bias-nya, arah maju dan mundur(Gambar 4.36). Sinyal trigger

diaplikasikan antara gate dan A1.

Dalam pengoperasian triac, diperlukanpentriggeran sebagai berikut:1. Apabila A2 positif terhadap A1,

begitu juga gatenya, maka triac akanberoperasi pada kuadrant 1;

2. Apabila A2 positif terhadap A1,sedangkan gate negatif terhadap A1maka triac juga akan beroperasipada kuadrant 1;

3. Apabila A2 negatif terhadap A1, dangatenya positif terhadap A1, makatriac akan beroperasi pada kuadrant3;

4. Apabila A2 negatif terhadap A1, dangatenya negatif terhadap A1, maka

triac akan beroperasi pada kuadrant3 juga.

Catatan: Kondisi 3 biasanya tidakdigunakan dalam praktek karena kondisitriac kurang sensitif.

Gambar 4.37 Contoh spesifikasi triac

4.2.3 Penyearah

Penyearah adalah alat yang digunakanuntuk mengubah arus AC menjadi DC.Secara umum, penyearah dibagi men-

jadi dua, yaitu penyearah tidak terken-dali dan penyearah terkendali. Dari

masing-masing kelompok kemudiandibagi berdasarkan sumber teganganmasukannya, yaitu fasa-satu atau fasa-tiga. Penyearah fasa-tiga dimaksudkanuntuk daya yang lebih besar. Berikut iniadalah ikhtisar penyearah.


9/24

305

Gambar 4.38 Ikhtisar penyearah dan simbol-simbolnya

4.2.3.1 Penyearah TidakTerkontrol

Dioda digunakan dalam elektronikadaya terutama untuk mengubah dayaAC menjadi DC. Pengubah daya ACmenjadi DC disebut penyearah(rectifier). Penyearah yang menggu-nakan dioda adalah penyearah yangtegangan keluarannya tetap.

Untuk memberikan gambaran yangmendasar tentang aplikasi dioda dalamelektronika daya, pada bagian ini akandibahas tentang rangkaian-rangkaiandioda yang melibatkan jenis-jenis bebandan penyearah tidak terkendali.Rangkaian dioda dengan bermacam-macam beban dimaksudkan untukmemberikan landasan dasar tentangdampak beban dalam rangkaian.

Sedangkan jenis-jenis rangkaianpenyearah dimaksudkan untukmemberikan pemahaman tentangperilaku penyearah yang tidak hanyapenting untuk aplikasi dioda saja namunsangat diperlukan bagi pengembangankonsep untuk aplikasi-aplikasielektronika daya selanjutnya. Untukmempermudah pemahaman, padabahasan ini dioda ditinjau dari sisi

idealnya, di mana faktor kecepatan danjatuh tegangan maju diabaikan.

Penyearah fasa-satu satu pulsaE1U

Penyearah fasa-tunggal setengahgelombang merupakan jenis penyearahyang paling sederhana, dan tidak biasa

digunakan dalam aplikasi industri.Walaupun begitu, konsep yang dimilikisangat membantu dalam memahamiprinsip operasi penyearah. Penyearahfasa-tunggal setengah gelombang atausering disebut penyearah satu pulsadengan beban R ditunjukkan padaGambar 4.39.

Gambar 4.39 Penyearah E1U

Selama setengah gelombang pertamategangan masukan, dioda D1 mendapattegangan bias maju dan menjadikonduksi sehingga arus mengalir kebeban dan tegangan masukan munculpada beban yang disebut tegangankeluaran DC, Vd. Kemudian setengahgelombang berikutnya, D1 mendapatbias mundur membuat dioda dalamkeadaan terhalang (blocking state)sehingga tegangan pada beban atautegangan keluaran, Vd, adalah nolsebagaimana ditunjukkan secaralengkap pada Gambar 4.39. Karenagelombang tegangan yang muncul padabeban hanya satu gelombang atau


10/24

306

setengah gelombang penuh, makapenyearah ini sering disebut penyearahsatu pulsa atau setengah gelombang.

4.2.3.1.1 Parameter-parameter

unjuk kerja penyearah

Unjuk kerja suatu penyearah pentinguntuk diketahui sebagai antisipasiterhadap dampak negatif yang ditimbul-kannya baik yang terkait dengan hasilpenyearahan maupun terhadap kualitasdaya pada sisi sumber. Sebagai contoh,terlihat nyata bahwa hasil penyearahanmerupakan bentuk gelombang pulsayang mengandung harmonisa.

Harmonisa ini, disampingmempengaruhi kualitas hasilpenyearahan juga sumber dayanya.

Banyak jenis penyearah, namun padaumumnya, unjuk kerja dievaluasi melaluiparameter-parameter seperti yang akandijelaskan berikut ini.

Tegangan keluaran rata-rata, aruskeluaran rata-rata, IDC,

Daya keluaran DC:PDC = VDC IDC

Tegangan keluaran efektif (rms),Vrms

Arus keluaran efektif, Irms

Daya keluaran AC:Pac = Vrms Irms

Efisiensi penyearah merupakan hasilbagi antara daya keluaran DC dandaya keluaran AC atau:

? = PDC/Pac Tegangan keluaran dari suatu

penyearah terdiri atas duakomponen, yaitu komponen DC dankomponen AC atau ripel (denyut).

Harga efektif komponen AC adalah:Vac = v(V

2rms V

2DC)

Faktor bentuk (form factor) yangmerupakan ukuran dari bentuktegangan keluaran adalah:

FF = Vrms/VDC

Faktor ripel (ripple factor) yangmerupakan ukuran dari muatan ripel,didefinisikan sebagai:

RF = Vac/VDC

Faktor ripel juga dapat dinyatakan

dalam bentuk:RF = v ((Vrms/VDC)

2-1) =v(FF2-1)

Contoh:

Sebuah penyearah seperti padaGambar 4.39 mempunyai beban resistifmurni R. Tentukan (a) efisiensi, (b)faktor bentuk, (c) faktor ripel, dan (d)faktor pemanfaatan trafo.

Jawaban:Tegangan keluaran DC:VDC = Vm/p = 0,318 Vm,IDC = VDC/R = 0,318 Vm/R.

Tegangan keluaran efektif (rms):Vrms = Vm/2 = 0,5 VmIrms = Vrms/R = 0,5 Vm/R

Daya keluaran DC:PDC=VDC IDC = (0,318 Vm)

2/RDaya keluaran AC:

Pac

= Vrms

Irms

= (0,5 Vm)2/R

Efisiensi? =PDC/Pac=VDC. VDC/R

=(0,318 Vm)2/(0,5 Vm)

= 40,5 %Faktor bentuk FF=Vrms/VDC

=0,5 Vm/0,318 Vm= 1,57 atau 157 %

Faktor ripel RF = v (FF2-1) = 1,21atau 121 %

4.2.3.1.2 Penyearah dua-pulsa,rangkaian jembatan B2U

Penyearah dua-pulsa atau fasa-satugelombang penuh dapat dibentukdengan menggunakan rangkaian trafocenter-tap atau rangkaian jembatan.Penyearah center-tap hanyamenggunakan trafo center-tap dan duadioda. Sedangkan penyearah rangkaian

jem-batan menggunakan empat dioda.Rangkaian ini merupakan rangkaian


11/24

307

penyearah fasa-tunggal gelombangpenuh yang paling umum digunakan.Rangkaian selengkapnya ditunjukkanpada Gambar 4.40.

4.2.3.1.3 Prinsip kerja rangkaianDiketahui bahwa tegangan masukan v1adalah sinusoidal dan arus listrikmengalir dari polaritas tinggi ke polaritasrendah pada sumbernya (dalam hal inisumber diperoleh dari sekundertranformator).

Gambar 4.40 Penyearah B2Ua) Rangkaian; b) tegangan masukan; c)

tegangan keluaran

Gambar 4.41 Jenis tampilan rangkaianjembatan

Pada setengah perioda pertama dari v1,dioda D1 dan D4 sama-sama dalamkeadaan bias-maju sehingga kedua

dioda menjadi On (konduksi), sebaliknyaD3 dan D2 mendapat bias-mundur

sehingga kedua dioda menjadi Off.Dalam keadaan D1 dan D4 On, makaarus IZ1 akan mengalir dari polaritastinggi sumber (trafo) melalui D1 kebeban kemudian ke D4 dan kembali ke

polaritas rendah sumber sehinggategangan muncul pada sisi keluaran,yang disebut tegangan keluaran DC, Vddan arus arus beban Id sama dengan IZ1.

Pada setengah perioda berikutnya, pola-ritas sumber berubah yang tadinya ren-dah menjadi tinggi. Dalam keadaan iniD3 dan D2 mendapat bias-majusehingga kedua dioda tersebut menjadiOn, dan sebaliknya D1 dan D4

mendapat bias-mundur sehingga keduadioda dalam keadaan Off. Arus mengalirdari sumber IZ2 melalui D3 ke beban dankemudian ke D1 dan kembali ke sumbersehingga tegangan Vd muncul pada sisikeluaran.

Untuk rangkaian ini berlaku rumus-rumus sebagai berikut:

Tegangan dan arus keluaran DC:

m

m

mdc V

V

dttVTV 6336,0

2

sin

2===

VVI

mdc

dc

6366,0==

Tegangan dan arus keluaran rms

m

mT

mrms VV

tVT

V 0707,02

)sin(2

2/12/

0

2==

=

VVI

mrms

rms

707,0==

Walaupun sama fungsinya, di pasaranada beberapa gambar dengan bentuktampilan yang berbeda seperti yangditunjukkan pada Gambar 4.41.

4.2.3.1.4 Penyearah fasa-tiga,tiga-pulsa, tidakterkendali M3U

Penyearah penyearah fasa-tiga, tiga

pulsa, tidak terkendali fasa-tiga, disebut juga penyearah fasa-tiga hubungan


12/24

308

bintang tidak terkendali. Teganganmasukan dari penyearah ini adalahtegangan fasa-tiga, yaitu L1, L2, dan L3.Pada masing-masing saluran dipasangsatu dioda. Rangkaian dan hubungan

antara gelombang tegangan masukandan keluaran ditunjukkan pada Gambar4.42.

Pada gambar ini memperlihatkan duarangkaian yang berbeda. Gambar 4.42a) memperlihatkan bahwa ketiga saluranmasukan, masing-masing dihubung keanoda masing-masing dioda, sedangkankatoda dari ketiga dioda dihubungmenjadi satu (dihubung bintang).

Karena ujung-ujung katoda yangdisatukan, rangkaian ini disebutrangkaian M3UK. Sebaliknya Gambar4.42 b) anoda dari ketiga dioda yangdihubung menjadi satu, oleh karena itu,rangkaian tersebut disebut M3UA.

Gambar 4.42 Rangkaian penyearah M3U

Gambar 4.43 Bentuk tegangan keluaranpenyearah M3U

4.2.3.1.5 Prinsip kerja rangkaian

Apabila rangkaian dihubungkan dengansumber fasa-tiga sebagaimana yangditunjukkan oleh Gambar 4.43, makaakan mengalir arus IZ1 melalui D1 mulaisudut fasa 30 selama 120, sementaraD2 dan D3 dalam keadaan off.Kemudian setelah D1 mengalirkan arusselama 120, D1 kemudian kembali offdan D2 mulai konduksi danmenghantarkan arus IZ2, sementara D3dan D1 masih dalam keadaan off. Barusetelah D2 menghantarkan arus selama120, baru D3 dalam keadaan konduksidan menghantarkan arus IZ3, D2 kembali

off dan D1 masih dalam keadaan off.Demikian, proses ini terjadi berulang.

4.2.3.1.6 Penyearah fasa-tiga,enam-pulsa, rangkaian

jembatan, tidakterkendali B6U

Penyearah fasa-tiga jembatan sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 3.44,

sangat umum digunakan dalam aplikasidaya-tinggi. Penyearah ini merupakanpenyearah fasa-tiga gelombang penuh.

Gambar 4.44 Penyearah B6U

Penyearah ini mempunyai tegangankeluaran 6-pulsa. Dioda-dioda diberipenomoran sesuai dengan urutankonduksinya dan masing-masing diodakonduksi selama 120. Urutan konduksidioda adalah 12, 23, 34, 45, 56, dan 61.


13/24

309

Pasang-dioda yang terhubung dengandua tegangan saluran yang mempunyaitegangan tertinggi akan konduksi.Tegangan antar saluran adalah v3 kalitegangan fasa dari sistem fasa-tiga

hubungan bintang.

Gambar 4.45 Bentuk gelombang tegangan

dan dioda-dioda yang konduksi

Tabel 4.1 Ikhtisar penyearah

JenisRangkaian

PenyearahSatu-Pulsa

Penyearah Dua-Pulsa Jembatan

PenyearahTiga-Pulsa, Titik

Bintang

Penyearah Enam-Pulsa Jembatan

Kode E1U B2U M3U B6U

Rangkaian

Tegangantanpabeban

1V

Vdi 0,45 0,9 0,68 1,35

Faktorripel

1,21 0,48 0,18 0,04

d

T

P

P 3,1 1,23 1,5 1,1

IZ Id

2

dI

3

dI

3

dI

Vdi: tegangan DC-tanpa beban, V1: tegangan AC, PT: daya trafo, Pd: daya DC, Vd: tegangan DC-berbeban, Id: arus DC, IZ: arus yang mengalir melalui satu dioda


14/24

310

4.2.3.2 Penyearah Terkendali

Seperti yang telah dijelaskan sebelum-nya bahwa, penyearah tak terkendalimenghasilkan tegangan keluaran DCyang tetap. Bila dikehendaki tegangankeluaran yang bisa diubah-ubah, digu-nakan thyristor sebagai pengganti dioda.Tegangan keluaran penyearah thyristordapat diubah-ubah atau dikendalikandengan mengendalikan delay atau sudutpenyalaan, a, dari thyristor. Penyalaanini dilakukan dengan memberikan pulsatrigger pada gate thyristor. Pulsa triggerdibangkitkan secara khusus olehrangkaian trigger.

Gambar 4.46 Penyearah E1C

Rangkaian trigger dirancang untukmemberikan pulsa dengan ketinggiandan kelebaran tertentu disesuaikandengan thyristor yang digunakan. Pulsaini juga dapat digeser-geser sudutnyasehingga penyalaan thyristor dapatdilakukan setiap saat dalam ranah(range)nya.

Gambar 4.46 menunjukkan prinsip kerjadari penyearah satu-pulsa terkendaliE1C. Jika thyristor dirangkai seperti

gambar ini, tegangan masukan berupategangan sinusoidal dan beban R, maka

pada setengah gelombang pertamathyristor mendapat bias-maju.

Bila thyristor disulut pada sudut a,thyristor Q1 akan konduksi maka te-gangan keluaran v1 akan muncul padabeban. Keadaan konduksi ini berlang-sung hingga tegangan kembali ke noldan mulai negatif (komutasi alamiah).Ketika tegangan negatif, maka Q1dalam keadaan bias-mundur. Waktu dari

tegangan mulai beranjak ke arah positifsampai dengan thyristor mulai konduksidisebut sudut penyalaan atau sudutpenyulutan a.

Dengan demikian, tegangan keluaranpenyearah dapat diatur-atur denganmengatur sudut penyalaan pulsagatenya, dalam hal ini, dari 0 - 180.

Bila sudut penyalaan a kecil, berarti

thyristor konduksi secara dini sehinggategangan (vd) dan daya keluaran akanbesar. Sebaliknya, bila sudut a besar,tegangan dan daya keluarannya akankecil.

4.2.3.2.1 Hubungan tegangan danarus keluaran padabeban R dan beban L

Dalam kenyataannya sifat beban mem-

pengaruhi perilaku suatu penyearah.


15/24

311

Gambar 4.47 Bentuk gelombang arus dantegangan keluaran pada E1C

Bila penyearah pada Gambar 4.46 diberibeban resistif R, maka arus keluaran idan tegangan keluaran vd mempunyaipolaritas yang sama sehingga mempu-nyai kesamaan dalam bentuk gelom-bang seperti ditunjukkan pada Gambar4.47 untuk beban Resistif. Ketika vd nolmaka i juga nol, ketika tegangan vdmaksimum maka arus i juga maksimum.

Perilaku rangkaian menjadi berbeda

ketika dibebani dengan L. Seperti yangterlihat pada Gambar 4.48 untuk bebaninduktif L, ketika thyristor disulut padasudut a, ketika tegangan vd nol arus i

juga nol. Namun ketika tegangan vdmaksimum, arus i tidak mengikutitegangan seperti pada beban R, namunmengikuti proses penyimpanan energipada induktor. Oleh karena itu, ketikategangan kembali ke nol, induktormelepaskan arus pada arah yang samasehingga tegangan berubah menjadinegatif.

Kejadian ini tidak dikehendaki dalamaplikasi penyearahan. Untuk meng-hilangkan pengaruh induktansi tersebutdipasang dioda free-wheeling sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 4.48.Dioda ini berfungsi menyalurkan arusbalik ke beban lagi (tidak ke sumber) se-

hingga peristiwa tegangan negatif bisadihilangkan.

Gambar 4.48 Dioda free-wheeling

Jika Vd0 adalah tegangan keluaranketika a = 0, dan Vda adalah teganganpada sudut a, maka karakteristikpengaturan Vd0/Vda untuk bebanresistif R dan beban induktif Lditunjukkan pada Gambar 4.49.

Gambar 4.49 Karakteristik pengaturan E1C

Dari gambar ini jelas terlihat prubahantegangan keluaran vda pada sudutpenyalaan untuk beban R dan beban L.Di sini terlihat jelas bahwa sudut penga-turan pada beban R dapat dilakukanpada daerah 0-180, sedangkan pada

beban L terbatas dari 0-90 saja.

4.2.3.2.2 Penyearah dua-pulsa

terkendali B2C

Penyearah dua-pulsa rangkaian jembatan terkendali, B2C, seperti yangditunjukkan pada Gambar 4.50merupakan salah satu tipe penyearahyang banyak diaplikasikan karena

keandalannya.


16/24

312

Prinsip kerja dari penyearah ini, secaraprinsip hampir sama dengan penyearahB2U. Bedanya, di sini dibutuhkan unittrigger sebagai sumber pulsa trigger.

Rangkaian ini membutuhkan 2 pasang

pulsa trigger, yaitu 1 pasang bekerja didaerah setengah gelombang positif dan1 pasang yang lain pada setengahgelombang negatif. Bila penyearah dihu-bung dengan sumber tegangan sepertiyang terlihat pada gambar, padasetengah gelombang positif thyristor Q1dan Q4 mendapat bias-maju. Dalamkeadaan ini, bila kedua thyristor tersebutdisulut pada sudut a yang sama maka

tegangan masukan akan dikirim kebeban sejak awal sudut penyulutansampai kedua thyristor mengalamikomutasi (tegangan nol). Kemudianpada setengah peiode berikutnya,thyristor Q3 dan Q2 mendapat biasmaju. Sama halnya dengan keadaanpada setengah perioda pertama, bilakedua thyristor ini disulut pada sudut ayang sama, pada daerah negatif terse-

but maka tegangan negatif masukanakan ditransfer ke beban sehinggategangan keluaran Vda terlihat sepertiyang ditunjukkan oleh Gambar tersebut.

Gambar 4.50 Penyearah B2C

Gambar 4.50 juga menunjukkan bentukgelombang tegangan dan arus keluaran,Vda dan Ida, di mana keduanya

mempunyai polaritas yang sama.

Kelebihan penyearah ini adalah kemam-puannya dalam mengumpanbalikkanenergi beban ke sumber. Dengan bebanyang induktansinya tinggi, aliran arusakan kontinyu tidak seperti penyearah-

penyearah terkendali fasa-satu lainnya.

4.2.3.2.3 Penyearah fasa-tigaterkendali

Penyearah fasa-tiga memberikantegangan keluaran rata-rata yang lebihtinggi, dan faktor ripelnya lebih rendahdari penyearah fasa-satu sehinggamasalah filteringnya juga semakinsimpel. Karena itulah, penyearah fasa-

tiga terkendali sangat banyak digunakandalam pengendalian kecepatan motorberdaya tinggi.

Salah satu bentuk aplikasi penyearahfasa-tiga terkendali adalah penyearahM3C, penyearah fasa-tiga, tiga-pulsa,terkendali (Gambar 4.51). Tiga thyristor,masing-masing disambungkan padamasing-masing saluran, dan setiapthyristor mendapat pulsa trigger sesuaidengan daerah operasi masingsehingga keluarannya terdiri dari 3 pulsayang dapat diatur sesuai sudutpenyulutan.

Gambar 4.51 Penyearah M3C

Tipe penyearah terkendali dan sangathandal adalah penyerah fasa-tiga,enam-pulsa sistem jembatan (Gambar4.52). Penyearah ini sangat ekstensifdigunakan untuk aplikasi-aplikasi daya


17/24

313

tinggi sampai ratusan kW, di manadibutuhkan operasi dua-kuadrant.

Penyearah ini sangat cocok untukbeban-beban yang tingkat induktansinyasangat tinggi.

Thyristor-thyristor disulut pada intervalp/3. Frekuensi tegangan keluaranadalah 6 kali frekuensi sumber sehinggamasalah penapisan (filtering)nya lebihrendah dari M3C.

Urutan penyulutan thyristornya sesuaidengan indeks angkanya adalahsebagai berikut: 12, 23, 34, 45, 56, dan61.

Gambar 4.52 menunjukkan gelombangtegangan keluaran ketika rangkaianberoperasi secara penuh dan ketikaberoperasi pada sudut penyulutan yangberbeda.

Gambar 4.52 Penyearah B6C

4.2.4 Pengendali TeganganAC

Teknik pengontrolan fasa memberikankemudahan dalam sistem pengendalian

AC. Pengendali tegangan saluran ACdigunakan untuk mengubah-ubah hargarms tegangan AC yang dicatukan kebeban dengan menggunakan thyristorsebagai saklar.Penggunaan alat ini, antara lain,meliputi:- Kontrol penerangan- Kontrol alat-alat pemanas- Kontrol kecepatan motor induksi

Bentuk dasar rangkaian pengendaliantegangan AC ditunjukkan pada gambar

Gambar 4.53. Rangkaian pengendaliandapat dilakukan dengan menggunakandua-thyristor yang dirangkai anti-paralel(Gambar 4.53 a) atau menggunakantriac (4.53 b).

Penggunaan dua thyristor anti paralelmemberikan pendalian tegangan ACsecara simetris pada kedua setengahgelombang pertama dan setengahgelombang berikutnya. Penggunaantriac merupakan cara yang palingsimpel, efisien dan handal. Triacmerupakan komponen dua-arahsehingga untuk mengendalikantegangan AC pada kedua setengah

gelombang cukup dengan satu pulsatrigger. Barangkali inilah yang membuat


18/24

314

rangkaian pengendalian jenis ini sangatpopuler di masyarakat. Keterbatasannyaterletak pada kapasitasnya yang masihterbatas dibandingkan bila mengguna-kan thyristor.

4.2.4.1 Pengendalian meng-gunakan dua thyristor

Jika tegangan sinusoidal dimasukkanpada rangkaian seperti pada gambar,maka pada setengah gelombangpertama thyristor Q1 mendapat biasmaju, dan Q2 dalam keadaansebaliknya. Kemudian pada setengahgelombang berikutnya, Q2 mendapat

bias maju, sedangkan Q1 bias mundur.Agar rangkaian dapat bekerja, ketikapada setengah gelombang pertama Q1harus diberi sinyal penyalaan padagatenya dengan sudut penyalaan,misalnya a. Seketika itu Q1 akankonduksi. Q1 akan tetap konduksisampai terjadi perubahan arah(komutasi), yaitu tegangan menuju noldan negatif. Setelah itu, pada setengahperioda berikutnya, Q2 diberi triggerdengan sudut yang sama, proses yangterjadi sama persis dengan yangpertama. Dengan demikian bentukgelombang keluaran pada seperti yangditunjukkan pada gambar.

Gambar 4.53Bentuk dasar pengendali tegangan AC

4.2.4.2 Pengendalianmenggunakan triac

Seperti yang telah disinggung sebe-lumnya, bahwa dua thyristor anti-paraleldapat digantikan dengan sebuah triac.Bedanya di sini hanya pada gatenya,yang hanya ada satu gate saja. Namunkebutuhan sinyal trigger sama, yaitusekali pada waktu setengah periodapertama dan sekali pada waktu sete-ngah perioda berikutnya. Sehingga hasilpengendalian tidak berbeda dari yangmenggunakan thyristor anti-paralel.

Pengendalian yang bisa dilakukan

dengan menggunakan metoda ini hanyaterbatas pada beban fasa-satu saja.Untuk beban yang lebih besar, metodepengendalian, kemudian dikembangkanlagi menggunakan sistem fasa-tiga, baikyang setengah gelombang maupungelombang penuh (rangkaian jembatan)

4.2.5 Kontrol Kecepatan danDaya Motor Induksi

Fasa TigaMotor induksi fasa tiga, khususnyamotor induksi rotor sangkar tupaimerupakan salah satu jenis motor yangpaling banyak digunakan di industri.Kelebihan dari motor ini, di antaranyaadalah konstruksinya yang sederhanadan kuat serta memerlukan sangatsedikit pemeliharaan sebagaimana padamotor DC.

Berbeda dengan motor DC yangkecepatannya dapat dikendalikandengan mudah (yaitu melaluipengaturan tegangan armatur danpengaturan arus eksitasinya),pengaturan kecepatan motor induksifasa tiga memerlukan penanganan yang

jauh lebih kompleks dan ini merupakansalah satu kelemahan dari motorinduksi. Motor DC mempunyai duasumber, yaitu tegangan armatur danarus eksitasi, sedangkan motor induksi

a)

b


19/24

315

hanya mempunyai satu sumber, yaitusumber tegangan stator. Kecepatanmotor induksi ditentukan oleh frekuensitegangan masukan dan jumlah kutubmotor seperti yang dijelaskan dengan

rumus:N = 120 f/P

di mana:N = kecepatan putaran rotor,f = frekuensi tegangan sumber,P = jumlah kutub motor (ditentukan

oleh belitan stator).

Jadi, berdasarkan formula di atas dapatdikatakan bahwa kecepatan putaran

motor induksi dapat dilakukan dengandua cara, yaitu pengubahan jumlah ku-tub dan pengubahan frekuensi teganganmasukan ke stator motor. Karena jumlahkutub ditentukan oleh belitan statornya,maka pengubahan kutub ini hanya bisadilakukan melalui desain belitan statormotor, sedangkan untuk pengaturan fre-kuensi dan tegangan masukan memer-lukan pengubah frekuensi tengangan

masukkan stator. Unit pengatur iniumum juga disebut sebagai inverter.

Pengaturan kutub banyak digunakan pa-da beban-beban yang dalam operasinyamemerlukan beberapa kecepatan yang

berbeda, misalnya kecepatan rendahdan kecepatan tinggi. Sedangkan peng-aturan frekuensi pada motor induksi ba-nyak diterapkan untuk beban-bebanyang memerlukan pengaturan kecepat-an dari nol sampai dengan maksimalseperti yang diterapkan di bidang trans-portasi seperti kereta listrik.

4.2.5.1 Macam-Macam Skema

Kontrol Kecepatan MotorInduksi

Kecepatan motor induksi dapat diken-dalikan dari sumber AC maupun DC.Berikut ini adalah beberapa macamskema pengendalian kecepatan motorinduksi yang memberikan masukanfrekuensi dan tegangan variabel kestator motor.

Gambar 4.54 merupakan skema kontrolkecepatan motor induksi dengan catudaya dc tegangan tetap. Prosespengubahan ini dilakukan sebagaiberikut. Catu daya DC tegangan tetapdiubah menjadi tegangan dc teganganvariabel melalui DC-Chopper. TeganganDC variabel ini setelah melalui filterdialirkan ke inverter sehinggamenghasilkan keluaran ac dengan

frekuensi dan tegangan variabel.Keluaran frekuensi dan teganganvariabel menjadi masukan motor induksisehingga kecepatan motor dapat diaturdengan leluasa.Gambar 4.55 menunjukkan skemakontrol kecepatan motor induksi denganmenggunakan catu daya DC daninverter pulse-width modulation (PWM).Catu daya DC tegangan tetap diubah

langsung menjadi tegangan ac frekuensi

dan tegangan variabel. Hasil pengubah-an ini kemudian digunakan sebagai catudaya motor induksi.Untuk kendali kecepatan dengan catudaya AC tegangan dan frekuensi tetapditunjukkan pada gambar 4.56 dan 4.57.Gambar 4.56 menunjukkan skemakontrol dengan menggunakan inverterfrekuensi variabel sedangkan Gambar4.57 menggunakan inverter PWM. Pada

skema kontrol dengan inverter frekuensivariabel kita memerlukan unit penyearahterkontrol sedangkan yang mengguna-kan PWM cukup dengan penyearahbiasa. Keluaran dari kedua skema yangterakhir sama dengan keluaran padadua skema kontrol terdahulu.


20/24

316

Gambar 4.54 Skema kontrol kecepatan motor induksi dengan catu daya DC tegangan tetap

Gambar 4.55 Skema kontrol kecepatan motor induksidengan catu daya DC dan inverter PWM

Gambar 4.56 Skema kontrol kecepatan motor induksidengan catu daya AC dan inverter frekuensi variabel

Gambar 4 .57 Skema kontrol kecepatan motor induksidengan catu daya AC dan inverter PWM

4.2.5.2 Diagram Kotak Kontrol Kecepatan Motor Induksi Fasa Tiga

Diagram kotak kontrol kecepatan motor induksi fasa tiga yang menggunakan sum-ber daya masukan fasa tiga ditunjukkan pada Gambar 4.58.

Gambar 4.58 Diagram kotak sistem kontrol kecepatan motor induksi fasa tiga

Transformer FilterPenyearahTerkendali

AC 1 Fasa

atau 3 Fasa

TeganganDC

Variabel

ke

Motor InduksiInverterfrekuensivariabel

Transformer FilterPenyearah

AC 1 Fasa

atau 3 Fasa

keMotor InduksiPulse Width

Modulated(PWM)

Penyearah

Terkendali Filter

Inverter

Fasa Tiga

Motor

Induksi Beban

Elemen Kontroldan Rangk.

Trigger

Transduser

Kecepatan

Input Ac

Fasa Tiga

Tegangan

DCVariabel

Frekuensi

Variabel

Tegangan

Variabel

DCChopper Filter

InverterFasa

Tiga

CatuDayaDC

TeganganDC

Variabel

keMotor Induksi

InverterPulse Width

DCke


21/24

317

Coba perhatikan baik-baik Gambar 4.58.Dalam skema kontrol ini kecepatanmotor merupakan subyek daripengontrolan. Proses pengontrolandilakukan sebagai berikut:

1. Sumber daya masukan AC fasa tigategangan dan frekuensi tetap diubahmenjadi tegangan DC dengantegangan yang bisa diatur-aturmelalui penyearah terkendali.Pengaturan pada penyearah inidilakukan melalui pengaturan sudutpenyulutan, sebagaimana telahdibahas pada bagian penyearahB6U, diatur melalui rangkaian

trigger.2. Untuk mengurangi faktor denyutkeluaran penyearah diberi filtersehingga keluaran dc mempunyaikualitas yang lebih baik.

3. Keluaran dc ini kemudian diubahmenjadi tegangan ac fasa tigamelalui sebuah inverter fasa tiga.Pengubahan keluaran dc menjadi acini dilakukan melalui prosespenyulutan yang dikendalikan olehrangkaian trigger. Keluaran ac yangpaling handal untuk pengendaliankecepatan motor induksi fasa tigaadalah frekuensi dan teganganvariabel, di mana ketika frekuensidinaikkan atau diturunkan, teganganakan mengikuti perubahan ini.Keluaran ini dikatakan paling handalkarena motor dapat diatur padadaerah kecepatan yang sangat lebar

dan dengan efisiensi tetap tinggi.4. Ketika motor induksi mendapat

masukan tegangan dari inverter,maka sesuai dengan sifat-sifatnya,motor beroperasi pada kecepatandan daya tertentu sesuai dengan

jenis beban motor. Pout = T ?, dimana T = torsi poros (Nm), ? adalahkecepatan putar sudut (rad/detik)(?= 2 p N/60; N dalam putaran

permenit). Jadi, pengaturankecepatan yang dilakukan disini

sama artinya dengan pengaturandaya keluaran motor induksi.

5. Kecepatan putaran motor dideteksidan diukur dengan menggunakantransduser kecepatan. Transduser

ini mengubah variabel putaranmenjadi sinyal analog atau digitalyang proporsional terhadapkecepatan putaran motor.

6. Hasil pengukuran oleh transduser inidiinformasikan kepada elemen ken-dali.

7. Elemen kendali membandingkanantara sinyal hasil pengukuran(analog atau digital) dengan nilai

putaran yang dikehendaki (setpoint).Bila antara keduanya adaperbedaan maka elemen kontrolakan mengirimkan sinyal kontrol kerangkaian trigger.

8. Rangkaian trigger ini akan memberi-kan sudut penyulutan sesuai denganperintah elemen kontrol kepadapenyearah dan inverter sehinggakeluaran inverter berubah.

Proses ini terus berlanjut sampai terca-pai putaran motor sama dengan yang di-kehendaki (setpoint).

4.2.6 Persiapan, Pengopera-sian dan PemeriksaanPengendali ElektronikaDaya

Seperti yang telah dibahas pada bagian

sebelumnya bahwa pengendali elektro-nika daya memungkinkan dilakukannyapengaturan daya listrik dalam berma-cam-macam cara guna memenuhikebutuhan. Peralatan ini tergolongmodern dan mahal. Oleh karena itu,dalam pemakaiannya membutuhkanpengetahuan dan keterampilan yangsangat memadai. Pengetahuan tentangkonsep dan prinsip seperti yang telahdiuraikan di atas, baik yang terkaitdengan komponen-komponen, seperti


22/24

318

dioda, thyristor, diac dan triac, maupununit seperti penyearah tak terkendali,penyearah terkendali dan juga pengaturlistrik ac. Tanpa pengetahuan dasar dankonsep yang memadai adalah mustahil

untuk dapat menggunakan pengendalielektronika daya dengan baik.

Di samping konsep-konsep dasar, adatiga kemampuan penting yang harusAnda miliki untuk dapat menggunakanperalatan ini dengan baik, yaitu: persia-pan, pengoperasian dan pemeriksaan.Langkah persiapan perlu dilakukan un-tuk menyakinkan bahwa komponen danrangkaian berada dalam keadaan baik

dan aman. Kemampuan pengoperasianmerupakan kemampuan yang harusdimiliki oleh setiap teknisi di lapangansedangkan kemampuan pemeriksaansebagai dasar seseorang untukmengevaluasi performa suatu sistemdan juga mencari kesalahan (trouble-shooting) yang terjadi pada sistem.

4.2.6.1 Persiapan Pengendali

Elektronika DayaDalam mempersiapkan pengendali elek-tronika daya, ada beberapa hal yang ha-rus Anda lakukan, di antaranya mema-hami spesifikasi alat, dan mengetahuikondisi alat. Spesifikasi alat

Setiap alat pasti dilengkapi denganspesifikasi kerja alat yang memberita-hukan kepada para pengguna alattentang kondisi-kondisi kerjanyasehingga dapat digunakan sebagaidasar pertimbangan penggunaan alatdan kondisi kerjanya. Spesifikasikerja yang sangat penting daripengendali elektronika daya, minimalharus meliputi: jenis (penyearah, takterkendali, terkendali, regulator ac,dan lain-lain), tegangan masukan,tegangan dan daya keluaran alat.

Sebagai contoh: penyearah fasa tigatidak terkendali mempunyai tegangan

masukan fasa tiga 380 V ac,tegangan keluaran 400 V dan dayakeluaran 5 kW. Ini memberitahu kitabahwa alat ini bila diberi sumber fasa-tiga 380 V, akan memberikan

tegangan keluaran 400 V dc dandaya nominal 5 kW.

Contoh lain misalnya, alat pengaturac (ac regulator) fasa tunggal mem-punyai spesifikasi sebagai berikut:tegangan masukan 220 V, 50 Hz,tegangan keluaran 0-220 V ac dandaya nominal 1 kW. Ini menunjukkankepada kita bahwa alat tersebut kalaudiberi tegangan masukan 220 V akan

memberikan tegangan keluaran yangbisa diatur mulai dari nol (0) sampaidengan 220 V ac dengan dayasampai dengan 1 kW.

Pengecekan fungsi alatSetelah diketahui spesifikasi alat,langkah berikutnya adalahpemeriksaan fungsi alat.Pemeriksaan fungsi ini dilakukandengan melakukan pengukuran padategangan keluarannya setelah alatdihubungkan ke sumbernya. Sebagaicontoh seperti untuk alat penyearah.Setelah dihubungkan ke sumbertegangan, tegangan keluaran bisadiukur dengan voltmeter. Bilategangan keluarannya 400 V dcmaka alat dapat dikatakan berfungsidengan baik.

4.2.6.2 Pengoperasian pengendalielektronika daya

Setelah dilakukan persiapan sepertiyang telah dijelaskan di atas, kitasampai pada tahap pengoperasian.Agar dapat mengoperasikan alat, kitaharus telah memiliki pemahamantentang prinsip kerja alat yang akandioperasikan dan memahami petunjuk

operasi alat. Pemahaman prinsip kerja alat


23/24

319

Pemahaman terhadap prinsip kerjaalat yang akan dioperasikan merupa-kan modal utama dalam pengope-rasiannya. Dengan mengetahuiprinsip kerja alat, kita telah

mempunyai bayangan tentang apayang akan terjadi di dalam alat bilakita mengoperasikannya. Ini jugaakan sangat membantu dalampengoperasian alat secara aman danoptimal.

Pemahaman petunjuk operasi alatSetiap alat selalu memiliki petunjukoperasi yang dibuat oleh pabrikpembuatnya. Walaupun kita sudah

mempunyai pengetahuan yangmemadai tentang alat tersebut, kitatetap harus mempelajari pentunjukoperasi alat tersebut. Petunjukoperasi ini disusun oleh pabrikpembuat alat berdasarkan pengeta-huan dan pengalaman yang dimili-kinya, baik yang terkait aspek kea-manan alat dan keselamatan manu-sia. Indikator kompetensi seseorangdalam mengoperasikan alat adalahberdasarkan petunjuk operasi alat.Petunjuk operasi dari pabrik bisadimodifikasi atau disederhanakansesuai dengan kebutuhan.

Pemahaman terhadap operasi alatyang dikendalikanSebagai contoh, suatu pengatur listrikac fasa satu aka digunakan untukmengoperasikan motor induksi fasasatu. Sebagaimana yang telahdiketahui bahwa arus asut motor(starting current) beberapa kali lipatarus nominalnya. Oleh karena itu,dalam pengendalian motor ini kitatidak boleh memulai dengantegangan nominalnya, namun perludilakukan pengaturan tegangansecara bertahap melalui knobpengatur yang ada pada pengendalielektronika daya, yang dalam hal ini

adalah dengan mengatur sudutpenyalaan thyristor atau triac,

misalnya. Jadi, di samping operasialat kendalinya, pemahaman terha-dap beban yang akan dikendalikan

juga penting untuk menghindarikondisi yang membahayakan baik

bagi alat pengendalinya maupun alatyang dikendalikannya.

4.2.6.3 Pemeriksaan pengendalielektronika daya

Untuk mengetahui kebenaran kerja daripenyearah ini perlu dilakukan pemerik-saan sebagai berikut:

Periksalah tegangan keluarandengan menggunakan voltmeter

dc/ac. Bila tegangan keluaran sesuaidengan tegangan yang dikehendakiberarti rangkaian bekerja denganbaik seperti yang telah dijelaskanpada tahap persiapan pada bagianpengecekan fungsi alat. Namun bilatidak maka perlu pemeriksaan lebihlanjut pada rangkaian dankomponen-komponennya.

Pemeriksaan lebih akurat dapat

dilakukan dengan menggunakanosiloskop pada tegangan keluaran(perhatikan cara pemakaianosiloskop). Jika tegangan keluarantidak sesuai dengan yangseharusnya (biasanya lebih rendah),perlu dilakukan pada rangkaian.Atau bila dilakukan denganosiloskop maka akan dapat diketahuibentuk gelombang tegangan

keluaran. Atas dasar bentukgelombang keluaran ini dapatdiketahui bagian mana yang tidakbekerja dengan baik. Untuk dapatmenganalisis secara cermatterhadap permasalahan ini perlupemahaman terhadap konseppengendali elektronika daya.

Bila sudah diketahui permasalahanbaru diidentifikasi permasalahan-

permasalahan yang ada padarangkaian. Permasalahan-


24/24

permasalahan yang sering terjadiadalah sebagai berikut:

1. Jumlah pulsa atau gelombangkeluaran tidak lengkap. Bila kitamenjumpai hal seperti ini, maka

perlu diperiksa: sumber teganganmasukan, sekering pengamanrangkaian/komponen, kabel-kabeldan koneksinya, komponenelektronika daya seperti diodathyristor, atau lainnya, danpengendali yang memiliki rangkaianpenyulut (rangkaian trigger) perludiperiksa rangkaian triggernya.Pemeriksaan rangkaian trigger

memerlukan pengetahuan tentangrangkaian trigger dan sistempembangkitan pulsa triggernya. Bilasalah satu komponen ini tidak dalamkeadaan baik, sudah dapatdipastikan bahwa rangkaian tidakakan bekerja dengan baik.

2. Panas pada bagian-bagianrangkaian. Suhu panas yangberlebihan identik denganketidaknormalan kerja rangkaian.Panas ini bisa akibat dari longgarnyasambungan, arus lebih, atau sistempendinginannya yang tidakmemadai. Longgarnya sambunganmenimbulkan efek pengelasan padaterminal-terminal sambungannyasehingga menimbulkan efek panasyang berlebih. Bila ini berjalan dalamwaktu lama bisa membahayakankomponen-komponen

semikonduktornya dan bahkan bisamenimbulkan bahaya kebakaran.Panas akibat arus beban lebih inibisa diakibatkan oleh permasalahanpada beban dan bisa juga akibatdari kapasitas daya alat yang lebihrendah dari yang diserap olehbeban. Namun bila alatpengamannya sesuai dengankemampuan alat seharusnya hal ini

sudah dapat diatasi melaluipemutusan alat pengaman.

Sistem pendinginan sangat berperanpada performa kerja alat. Sistempendinginan bisa berupa heatsink danatau fan. Heatsink biasanya dipilih

berdasarkan kapasitas komponensemikonduktor yang digunakan. Olehkarena itu permasalahan terbesarnyaadalah pada faktor rekatannya dengankomponen semikonduktornya. Untukpendinginan yang menggunakan fandapat dengan mudah diketahui bekerjatidaknya.

3. Thyristor tidak dapat dikendalikan.

Bila menjumpai unit pengendalielektronika daya, ketika dihidupkan,tegangan keluarannya langsungtinggi, maka perlu diperiksa pulsatrigger dan rangkaian snubbernya.Pengaturan pulsa trigger langsungpada sudut penyalaan nol akanmenyebabkan tegangan keluaranangsung tinggi. Permasalahan inibisa terjadi akibat kegagalan padarangkaian triggernya (lihat Gambar4.48). Rangkaian snubber (Gambar4.31) digunakan untuk membatasiagar tingkat kenaikan tegangan awaldv/dt rangkaian tidak melampauidv/dt thyristor. Jika dv/dt komponenterlampaui maka thyristor akanlangsung on dan tidak bisadikendalikan lagi. Rusaknyarangkaian snubber biasanya adalahkarena umur. Biasanya ditandai

dengan pecahnya kapasitornya.

Demikianlah persiapan yang perludilakukan sebelum, pengoperasianpengendali elektronika daya.Pengoperasian perlu mengikutipetunjuk operasi alat dan bila terjadiketidaknormalan kerja alat bisadilakukan pemeriksaan terhadapfungsi komponen-komponen

rangkaian pengendali elektronikadaya.

Sistem pengendali Elektronika Daya

Documents

Transcript of Sistem pengendali Elektronika Daya