DASAR TEORI

Rectifier

Rectifier merupakan rangkaian penyearah tegangan. Suatu sinyal tegangan bolak balik atau tegangan AC dapat diubah menjadi tegangan searah atau DC apabila dilewatkan pada rangkaian rectifier. Komponen utama dalam penyearah gelombang adalah diode yang dikonfigurasikan secara forward bias.

Diode adalah suatu komponen elektronika yang memiliki dua kutub dan bersifat semikonduktor yang dapat memperbolehkan arus listrik untuk mengalir ke arah tertentu (forward-biased) dan memblokade arus listrik agar tak dapat mengalir ke arah sebaliknya (reversed-biased). Cara kerja diode mirip dengan switch dan seringkali diaplikasikan pada berbagai rangkaian penyearah tegangan.

Ada berbagai jenis klasifikasi dari rectifier. Apabila dilihat dari tegangan outputnya, rectifier terbagi atas dua kelompok:

Half wave rectifier

Half wave rectifier merupakan penyearah tegangan yang mengubah sinyal AC menjadi setengah sinyal DC. Rangkaian ini terdiri dari sebuah diode yang mengalirkan arus positif namun tidak dengan arus yang negative, sehingga tegangan negative AC pada output menjadi nol

Tegangan keluaran:

Full wave rectifier

Rangkaian ini dapat menyearahkan tegangan secara keseluruhan tanpa ada jeda nol. Hal ini dikarenakan diode yang dipakai ada empat buah dan dikonfigurasikan secara bridge, hingga tegangan AC negative tidak berubah menjadi nol, melainkan menjadi tegangan positif.

Tegangan keluaran:

Rectifier jenis inilah yang dipakai dalam device yang kami buat karena dapat menghasilkan tegangan dc yang lebih sempurna ketimbang half-wave rectifier.

Untuk membuat sebuah rectifier yang baik, ada beberapa parameter yang harus diperhatikan diantaranya adalah ripple dan harmonisa. Ripple merupakan gelombang pengganggu yang mendistorsi gelombang DC dan menjadikannya tidak murni. Sedangkan harmonisa merupakan gelombang sinusoida yang memiliki kelipatan integer serta frekuensi fundamental (frekuensi dasar). Prosentase yang melambangkan jumlah ripple pada suatu gelombang disebut dengan ripple factor. Sedangkan jumlah gangguan harmonisa adalah THD atau total harmonic distortion.

Inverter

Fungsi sebuah inverter adalah untuk merubah tegangan input DC menjadi tegangan AC pada besar dan frekuensi yang dapat diatur. Pengaturan besar tegangan dapat dilakukan dengan 2 cara. Pertama, dengan mengatur tegangan input DC dari luar tetapi lebar waktu penyaklaran tetap. Kedua, mengatur lebar waktu penyaklaran dengan tegangan input DC tetap. Pada cara yang kedua besar tegangan AC efektif yang dihasilkan merupakan fungsi dari pengaturan lebar pulsa penyaklaran. Cara inilah yang disebut dengan Pulse Width Modulation (PWM).

Gambar 1. Urutan Penomoran Komponen Penyaklaran Daya pada Jembatan Inverter Satu Fasa

Tegangan bolak-balik pada terminal A-B (Gambar 1) dihasilkan dari kombinasi penyaklaran komponen penyaklaran daya yang bersilangan sebagaimana Tabel 1. Dengan asumsi urutan penomoran komponen penyaklaran daya seperti Gambar 1, maka ketika Q1 dan Q2 “ON”, arus akan mengalir dari Q1 ke Q2 melewati beban sehingga tegangan antara terminal A dan B akan positif (VAB = +VDC). Ketika Q3 dan Q4

“ON”, arus mengalir dari Q3 ke Q4 melalui beban sehingga VAB = -VDC..

Tabel 1. Kombinasi Penyaklaran Komponen Penyaklaran Daya danTegangan Keluaran Inverter

Pasangan 1 Pasangan 2 Tegangan Keluaran

Q1 Q4 Q2 Q3 VAB

ON OFF ON OFF + VDC

OFF ON OFF ON - VDC

OFF ON ON OFF 0

ON OFF OFF ON 0

Pembangkitan Sinyal PWM Sinusoida Satu Fasa Secara Analog

Indeks modulasi adalah perbandingan antara amplitudo maksimum sinus (Ar) dan amplitudo maksimum segitiga (Ac). Indeks modulasi dirumuskan:

M = Ar/Ac (1)

dengan M = Indeks modulasi

Ar = Amplitudo maksimum sinus

Ac = Amplitudo maskimum Segitiga

Indeks modulasi yang nilainya antara 0 sampai 1 akan menentukan lebar pulsa tegangan rata-rata dalam satu periode.

Prinsip kerja pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa (Gambar 2) adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola gelombang sinusoida. Frekuensi sinyal referensi menentukan frekuensi keluaran inverter. Sinyal pembangkit yang bersesuaian dengan Gambar 1 dan Gambar 2 diperoleh dengan cara sebagai berikut:

Gambar 2. Pembangkitan PWM Sinusoida Satu Fasa Secara Analog (unfiltered)

Sinyal g1 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi sinus dan sinyal pembawa segitiga:

g1 = 1, jika Ar.sin(t) Ac. sgt(t) (2)

0, lainnya

atau

g1 = 1, jika M.sin(t) sgt(t) (3)

0, lainnya

Sinyal g3 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi -sin(t) dan sinyal pembawa segitiga ( sgt(t) ):

g3 = 1, jika Ar. -sin(t) Ac. sgt(t) (4)

0, lainnya

atau

g3 = 1, jika M. -sin(t) sgt(t) (5)

0, lainnya

Sinyal g2 = -g3

Sinyal g4 = -g1

Sedangkan tegangan sesaat keluaran inverter PWM sinusoida satu fasa adalah sebagai berikut:

Pada setengah periode positif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g1 dan g2.

Vo = Vs, jika g1 dan g2 “ON” bersamaan (6)

0, lainnya

Pada setengah periode negatif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g3 dan g4.

Vo = -Vs, jika g3 dan g4 “ON” bersamaan (7)

0, lainnya

Persamaan (5) dapat dinyatakan sebagai berikut:

g3 = 1, jika M.sin(t) -sgt(t) (8)

0, lainnya

Berdasarkan persamaan (3) dan (5), maka pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa dapat dilakukan dengan menggunakan 2 buah sinyal sinus (sin(t) dan -sin(t)) dan 1 sinyal segitiga. Sedangkan berdasarkan bersamaan (3) dan (8), pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa dapat dilakukan dengan menggunakan 1 sinyal sinus (sin(t)) dan 2 sinyal segitiga (sgt(t) dan –sgt(t).

Sinyal sinus dibandingkan amplitudonya dengan sinyal segitiga dengan frekuensi lebih tinggi (ada 3 macam pilihan sampling yaitu 40 kali, 50 kali, dan 100 kali). Jika amplitudo sinyal sinus lebih tinggi daripada amplitudo sinyal segitiga maka terbentuk PWM periode ON atau HIGH. Jika amplitudo sinyal sinus lebih rendah daripada sinyal segitiga maka terbentuk PWM periode OFF atau LOW. Demikian

seterusnya sehingga terbentuk sinyal PWM untuk periode 1 gelombang sinus. Setelah terbentuk sinyal PWM untuk periode 1 gelombang sinus dilanjutkan dengan penghitungan lebar periode ON dan OFF tiap-tiap sinyal PWM-nya. Data periode ON dan OFF sinyal PWM ini selanjutnya digunakan sebagai dasar pembangkitan sinyal PWM yang serupa dengan ilustrasi. Dari ilustrasi ini untuk sinyal sinus yang di-compare-kan (menggunakan rangkaian comparator) dengan 100 sinyal segitiga.

Transformator

Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Prinsip Kerja Transformator

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).

Simbol Transformator

Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:

Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np).

Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns).

Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah:

Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns).

Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP).

Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer,

Prinsip kerja motor listrik

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama:

Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya

Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan.

Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok (BEE India, 2004): Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kwadrat kecepatan)

Prinsip kerja motor arus searah ( DC )

Motor arus searah merupakan salah satu mesin listrik yang mengubah energi listrik searah menjadi energi gerak. Motor arus searah banyak sekali dipakai, motor-motor kecil untuk aplikasi elektronik menggunakan motor arus searah seperti: pemutar kaset, pemutar piringan magnetik di harddisk komputer, kipas pendingin komputer, dan tentu saja mainan legendaris ‘tamiya’ menggunakan motor arus searah. Tentu saja untuk keperluan-keperluan yang berdaya besar, motor arus searah masih dipakai pada aplikasi tertentu.

Gerak atau putaran yang dihasilkan oleh motor arus searah diperoleh dari interaksi dua buah medan yang dihasilkan oleh bagian ‘jangkar‘ (armature) dan bagian ‘medan‘ (field) dari motor arus searah. Pada gambar ilustrasi diatas, bagian medan berbentuk suatu kumparan yang terhubung ke sumber arus searah. Sedangkan bagian jangkar ditunjukkan sebagai magnet permanen (U-S), bagian jangkar ini tidak harus berbentuk magnet permanen, bisa juga berbentuk belitan yang akan menjadi elektro-magnet apabila mendapatkan sumber arus searah. Sehingga apabila motor arus searah kita berjenis jangkar belitan, maka kita harus menyediakan dua sumber arus searah, satu untuk bagian jangkarnya, satu lagi untuk bagian medannya. Bagian lain yang tidak kalah penting pada motor arus searah adalah adanya ‘komutator’ (comutator). Komutator merupakan suatu konverter mekanik yang membuat arus dari sumber mengalir pada arah yang tetap walaupun belitan medan berputar. Komutator berpasangan dengan ‘cincin belah‘ (slip-

rings) untuk menjalankan tugas yang saya sebut baru saja. Pada gambar ilustrasi diatas, gambar lingkaran yang dibagi menjadi dua buah dan terhubung ke bagian belitan medan merupakan cincin belah yang saya maksud. Bagian yang digambarkan berbentuk kotak menempel pada cincin belah tersebut yang dinamakan komutator.

Gaya, medan magnet, dan arus membentuk suatu sumbu tiga dimensi seperti ditunjukkan di gambar sebelumnya. Semua setuju bahwa medan magnet berarah dari kutub Utara (N) ke kutub Selatan (S), sehingga di gambar yang atas seharusnya ada medan magnet yang berarah dari N ke S. Interaksi adanya arus dan medan magnet dengan menggunakan aturan tangan kanan mengakibatkan munculnya gaya. Pada gambar yang atas, dapat dicoba sendiri, di konduktor yang dekat dengan kutub S akan muncul gaya ke arah atas, sebaliknya pada konduktor yang dekat dengan kutub N akan muncuk gaya ke arah bawah. Akibatnya bagian medan akan berputar karena adanya dua gaya yang berlawanan arahnya. Setelah satu putaran maka konduktor yang tadinya dekat dengan kutub S akan berpindah dekat ke kutub N, dan juga sebaliknya. Akibat adanya pasangan cincin belah-komutator, arus akan mengalir dengan arah yang tetap, walaupun konduktornya berganti, sehingga gaya pada titik tersebut akan selalu tetap arahnya. Begitu seterusnya sehingga motor arus searah akan berputar pada arah yang tetap. Secara sederhana, apabila sumber arus searahnya kita balik arahnya maka putaran yang dihasilkan akan berlawanan arah.

Konsep rangkaian

Rangkaian device yang kami buat sebetulnya sederhana, seperti yang dijelaskan diagram blok diatas, sinyal input ke power supply adalah sinyal AC sebesar 220 volt dengan frekuensi 50 Hz. Sedangkan sinyal output yang diinginkan adalah sinyal AC sebesar 115 volt dengan frekuensi 400 Hz. Pertama-tama sinyal input dilewatkan pada sebuah rectifier satu fasa untuk dikonversi ke sinyal DC. Pengkonversian ini bertujuan agar frekuensi sinyal inputan saat diubah kembali menjadi sinyal AC dapat diatur dengan mudah.

Setelah melewati rectifier, sinyal DC tersebut akan dilewatkan pada sebuah inverter dengan Sinusoidal Pulse Width Modulator. Inverter ini menggunakan IGBT switch yang dihubungkan ke sebuah SPWM untuk mengontrol penyalaan pada switchnya. Output dari rangkaian ini adalah sinyal AC sebesar 220 volt namun sudah dengan frekuensi 400 Hz. Untuk mengubah sinyal tersebut menjadi output yang diinginkan, sinyal dilewatkan pada sebuah transformator step down 1 fasa dengan perbandingan belitan sebesar 44 (primer) : 23 (sekunder).

AC 220v / 50Hz

Rectifier full-bridge 1 fasa

Inverter

Transformator Step-up

AC 115 / 400 Hz

DC 220V

AC 70V / 400 Hz

Filter Harmonisa

SPWM

Rectifier

Prinsip kerja dari penyearah gelombang penuh dengan 4 diode diatas dimulai pada saat sumber AC memberikan level tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias (on) dan D2, D3 pada posisi reverse bias (off) sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat sumber AC memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4 pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari perbandingan antara grafik input dan output berikut.

Penghitungan filter

Pertama-tama untuk menentukan besar kapasitor kita harus menghitung tegangan rata-rata output. Tegangan rata-rata output didapat dari dua kali tegangan maksimal dibagi dengan phi.

Vavg=2Vmaxπ

= 2.311π

= 197.98 V

Iavg=VavgR

= 196,98

12 = 16.415 A

Kita telah mengetahui bahwa Vrms = 220 Volt, didapatkan arus Irmsnya adalah:

Irms=VrmsR

= 22012

= 18.33 A

Setelah menghitung Vavg dan Vrms, kita dapat mengetahui ripple factor dari gelombang output tersebut

RF = √(VrmsVavg

)2

−1=¿ √( 220197 .98

)2

−1 x 100% = 49,738%

Terlihat bahwa ripple yang dimiliki oleh gelombang output sangat besar yaitu mencapai lima puluh persen dari gelombang fundamentalnya. Untuk mengatasi hal ini rectifier harus dipasangi filter untuk meminimalisir distorsi

Fliter C berfungsi untuk meratakan gelombang tegangan output. Semakin besar filter C, semakin mulus gelombang tegangan outputnya. Filter C berfungsi untuk meratakan tegangan output. Sepasang diode akan on saat capasitor charging. Diode off sesaat setelah tegangan mencapai maksimum. Diode tetap off dan Capacitor discharge mencatu beban. Tegangan mencapai minimum sebelum diode on dan charging lagi. Kapasitor bekerja sesuai dengan rumus

∆V=Vmax2 fRC

Dimana ∆V adalah besar riak gelombang (V peak to peak) yang didapat dari selisih gelombang ac maksimal dan minimal pada dc.

∆V=Vmax2 fRC

= 3112 .50.12 .C

C berbanding terbalik dengan ∆V. untuk mendapatkan ∆V yang kecil, C harus cukup besar. Pada rangkaian ini dipilih C sebesar 2,2 Farad sehingga ∆V sebesar 0,117.

Seperti yang telah dipaparkan dalam dasar teori, pada device ini jenis rectifier yang digunakan adalah full-bridge rectifier. Selain itu terdapat kapasitor yang berfungsi sebagai filter terhadap sinyal yang dihasilkan agar ripple dapat dihilangkan.

Berikut adalah simulasi sinyal output dari rangkaian rectifier di atas setelah ditambahkan kapasitor

Dapat dilihat dari plot sinyal diatas bahwa output dari rectifier setelah difilter merupakan sinyal dc 220 volt yang lebih mulus.

Setelah melalui rectifier, sinyal DC akan dilewatkan ke sebuah SPWM inverter untuk diinvert kembali menjadi sinyal AC dengan frekuensi yang diinginkan.

Untuk mengatur frekuensi pada outputnya, frekuensi tegangan referensi pada SPWM diubah menjadi 400 Hz. Inverter yang digunakan adalah SPWM inverter satu fasa full-wave dengan menggunakan IGBT switch.

Rangkaian jembatan IGBT terhubung dengan suatu komparator yang bekerja dengan mengomparasikan antara sinyal sinusoidal sebagai tegangan referensinya dengan sinyal segitiga sebagai tegangan carrier. Saat nilai tegangan referensi lebih besar dari tegangan carrier maka output comparator akan bernilai high. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan carrier, maka output comparator akan bernilai low. Salah satu dari output keluaran diberi gerbang NOT untuk membalik hasil, lalu dihubungkan ke on-off switch controller. Sinyal keluaran switch on-off menjadi trigger untuk IGBT.

Ketika IGBT Q1 dan Q2 bekerja (ON), tegangan Vs akan mengalir ke beban tetapi Q3 dan Q4 tidak bekerja (OFF). Selanjutnya, IGBT Q3 dan Q4 bekerja (ON) sedangkan Q1 dan Q2 tidak bekerja (OFF), maka pada beban akan timbul tegangan –Vs.

Filter

Filter disini berperan untuk mengurangi ripple pada sinyal. Filter yang digunakan adalah filter RLC. Hasil yang diharapkan dari keluaran filter ini adalah sinyal sinusoidal murni.

Setelah melakukan simulasi dengan filter lowpass LC, ditemukan bahwa hasil pemfilteran dengan menggunakan filter L=1 mH dan C= 390 nF hasilnya masih ditemukan derau, sedangkan menggunakan filter L=100 mH dan C= 39 uF hasilnya berupa sinyal segitiga. Untuk itu perlu dilakukan modifikasi yaitu menggabungkan rangkaian filter lowpass LC dengan filter lowpass orde satu yaitu filter RC.

Nilai RC yang akan dibuat sebagai rangkaian filter lowpass first order harus memenuhi persamaan berikut ini:

R1 C1 =1

2πfl(P3.1)

Persamaan 3.1 diatas terlihat ada 3 variabel dimana f adalah frekuensi carrier, R adalah nilai resistansi dan C adalah nilai kapasitansi, sebagai contohnya jika dilakukan perancangan filter

yang memfilter suatu sinyal dengan frekuensi carrier 8 kHz, maka penentuan nilai RC nya adalah sebagai berikut: R1 C1 =

Anggap nilai kapasitansi yang dipakai adalah R1 = 1600 Ohm, sehingga

C1 = 1

2π .400 .1600 .l

C1 = 6 nF

Maka pasangan nilai RC yang dipakai untuk memfilter frekuensi referensi 400 Hz adalah R1 = 1600 Ohm dan C1= 6 nF

Untuk frekuensi carrie, maka penentuan nilai RC nya adalah sebagai berikut:

R2 C2 = 1

2πfl(P3.2)

Di karenakan fc1 = 100 fc2 maka

R2 C2 = 1

2πfl

f2 = 1

2πRCl

f2 = 1

100(2πRCl)

sehingga,

f2 = 1

2π 10R1 10C1

dengan demikian diperoleh bahwa R2 = 10 R1 = 16 kOhm, dan C2 = 10C1=120 nF, maka pasangan nilai RC yang dipakai untuk memfilter frekuensi carier adalah R2= 16 kOhm dan C2 = 120 nF.

Setelah mendapatkan nilainya maka filter RC digabung dengan filter LC.

Transformator

Transformator merupakan suatu alat pengubah nilai tegangan. Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi

primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

Transformator yang dipakai dalam rangkaian ini adalah transformator step-down dari 220V menjadi 115V.

Hasil akhir rangkaian

Gelombang output