Pengendali Tegangan Bolak-balik (AC-AC Controller) Lanjut ELEKTRONIKA DAYA Penulis aswardi@ft.unp.ac.id aswardimt@yahoo.com http://www.aswadiwordpress.comA. Objektif Setelah pelajaran ini diharapkan mahasiswa mampu: 1. Menjelaskan prinsip kerja dari pengendali tegangan 3 fasa satu arah se bagai penghasil tegangan ac variable 2. Menggambarkan bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran pengendali teg angan 3 fasa satu arah . 3. Mendeskripsikan penerapan Thyristor pada proses pengendalian tegangan ke luaran pengendali tegangan 3 fasa satu arah. 4. Menganalisis dan mengevaluasi unjuk kerja pengendali tegangan 3 fasa sa tu arah . B. Pendahuluan Setiap jenis pengendali tegangan bolak-balik 3 fasa dapat dikategorikan menjadi : 1. Pengendali tegangan 3 fasa satu arah (one directional ac-ac converter) 2. Pengendali tegangan 3 fasa dua arah (two directional ac-ac converter) Penerapan pengendali tegangan ac (Applications of ac Voltage Controllers) Pengendali tegangan bolak balik 3 fasa untuk digunakan untuk keperluan: 1. Pengaturan pencahayaan pada rangkaian daya bolak-balik. 2. Sistem pemanasan dengan prinsip induksi (Induction heating.) 3. Sistem pemanasa pada industri dan rumah tangga (Industrial heating & Dom estic heating). 4. Pengubah tap pada transformator tenaga (Transformer tap changing (on loa d transformer tap changing). 5. Pengendali kecepatan motor induksi (single phase and poly phase ac induc tion motor control). 6. Pengendali sistem kemagnitan dengan suplai ac (AC magnet controls.) C. Pengendali Tegangan ac 2 Arah (Full Wave ac Voltage Controller) Rangkaian daya Pengendali tegangan ac 2 arah menggunakan 2 buah komponen pensake laran thyristor dengan konfigurasi anti paralel, atau menggunakan 1 buah Triacs. Arus bolak-balik dari sumber akan mengalir pada sisi beban setiap siklus dari pe riode tegangan sumber. Nilai rms dari tegangan beban dapat divariasikan dengan c ara menvariasikan besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor . Oleh karena tegangan dan arus suplai merupakan arus bolak-balik dengan gelombang simetris, m aka tidak terdapat komponen dc dari arus masukan, berarti juga arus suplai ratarata adalah nol. Konfigurasi pengendali tegangan ac 1 fasa dengan beban resistif diperlihatkan pada gambar 1. Pengaturan besarnya daya yang mengalir/ yang diser ap pada sisi beban dapat dilakukan dengan cara mengatur besarnya sudut perlambatan penyalaan dari ke dua thyrostor. Pengendali tegangan ac seperti pada gambar 1 dapat disebut juga dengan pengendalian tegangan 2 arah. Gambar 1. Rangkaian Daya Pengendali Tegangan ac 1 Fasa Dengan komponen pensakelaran Thyristor. Thyristor akan mengalami tegangan arah maju selama siklus dari tegangan suplai. Thyristor dinyalakan dengan sudut perlambatan penyalaan . Dengan asumsi ba hwa kondisi aktif (ON) thyristor sebagai sebuah sakelar ideal, tegangan suplai akan sampai pada terminal beban dan tegangan keluaran selama waktu sampai radian. Arus beban akan mengalir melalui thyristor terus ke beban dan kembal i lagi ke sumber selama thyristor konduksi dari sampai dengan radian. Pada saat , bilamana tegangan input tepat berada sama dengan nol, arus thyristo r (yang mengalir melalui beban resistor R) juga akan menuju nol, dan menyebabkan thyristor akan padam secara alami. Pada saat ini tidak ada arus mengalir dala m rangkaian selama periode waktu sampai dengan . Thyristor akan mengalami t egangan arah maju selama siklus negatif dari tegangan suplai. Thyristor dinyala kan dengan sudut , dan tegangan keluaran akan mengalir selama siklus negatif dar i tegangan sumber.dari sampai . Bilamana thyristor konduksi arus beban nega tif akan mengalir dari sumber menuju thyristor , dan terus ke beban untuk seter usnya kembali ke sumber selama periode waktu sampai dengan . Interval waktu (spacing) antara pemberian pulsa triger untuk thyristor dan d ijaga on selama selang waktu radian atau 1800. Pada saat tegangan suplai ber ubah menuju nol, dan menyebabkan tidak arus mengalir dari sumber menuju ke beban . Keadaan ini sekaligus menyebabkan thyristor akan berada dalam keadaan of (of f state).(a) (b) Gambar 2. Pengubah tegangan a suplai menggunakan TriacsFig: bentuk Gelombang tegangan dan arus keluaran Pengendali Tegangan 2 arah.Persamaan penting Tegangan sumber ; Tegangan jepit pada beban resistor ; ; for and Arus beban ; for andD. Penentuan Persamaan Tegangan Efektif pada beban Persamaan tegangan efektif pada beban diperoleh dengan menggunakan persamaan: ; Persamaan tegangan keluaran pengendali 1 fasa 2 arah diperoleh dengan asumsi bah wa bentuk sinyal ac masukan merupakan gelombang simetris untuk satu periode. Den gan asumsi bahwa gelombang tegangan simetris, maka perhitungan dapat dilakukan u ntuk siklus. Dengan demikian persamaan tegangan keluaran rms dapat diperoleh deng an cara: ; ; (untuk Diperoleh:sampaidansampaiOleh karenaDengan mengambil nilai akar kuadrad,diperoleh:Nilai rms maksimum pada beban diperoleh pada waktu sudut , ini berarti bahwa te gangan beban merupakan tegangan sinus dan persis sama dengan tegangan sumber dan mempunyai nilai efektif sebesar , perhatikan uraian di bawah ini .(4) Pembahasan di atas juga menunjukkan bahwa nilai maksimum tegangan rms pada beban terjadi pada sudut triger dan akan minimum (0 volt) pada sudut triger .E. Karakteristik Pengaturan Pengendali Tegangan ac 1 fasa 2 Arah Kurva karakteristik pengendalian dari pengendali tegangan 1 fasa 2 arah dengan b eban resistif dapat ditentukan dengan mengambarkan tegangan versus sudut perla mbatan penyalaan ( ). ; Dengan Nilai rms tegangan suplai Tabel 1. Hasil perhitungan Vo(rms) versus sudut triger Trigger angle in degrees in radians %Trigger angle0 100%00.985477 98.54%0.896938 89.69%0.7071 70.7%0.44215 44.21%0.1698 16.98%0 0 Berdasarkan data hasil perhitungan seperti pada tabel 1 di atas diperoleh kurva karakteristik pengaturan dari pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah seperti gamba r berikut. Gambar 2. Kurva Vo(rms) versus sudut triger Berdasarkan gambar di atas diperoleh bahwa nilai rms tegangan keluaran/ tegangan ac pada sisi beban dapat divariasikan dari maksimum 100% pada sampai 0 volt pada . Jadi diperoleh range pengaturan yang cukup lebar dengan menggunakan pengendal i tegangan 1 fasa 2 arah pengendalian. Tugas latihan Diberikan rangkaian pengendali tegangan ac seperti gambar berikutDengan menggunakan prinsip pembahasan sebelumnya, saudara diminta untuk menjelas kan prinsip kerja rangkaian berikut ini. Pahami cara kerja rangkaian dan banding kan bentuk sinyal keluaran pada sisi beban dengan pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah. Jawaban juga dikirimkan ke pembina mata kuliah bersamaan dengan jawaban soal pada modul ini. E. Soal Latihan1. Pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah mempunyai tegangan masukan efektif 120 V dan beban resistif 6 ohm. Besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor . Tentukan: a. Tegangan efektif keluaran (volt). b. Daya keluaran (Watt) c. Faktor Kerja Masukan d. Arus thyristor rata-rata dan efektif. Penyelesaian: Besarnya tegangan efektif keluaranArus efektif keluaranDaya BebanArus masukan sama besar dengan arus beban. Jadi Daya masukan (VA) Jadi Faktor Kerja Masukan = = . Setiap thyristor konduksi hanya setengah siklus, dengan demikian diperoleh: Arus thyristor rata-rataArus thyristor efektif2.Pengendali tegangan ac 1 fasa 1 arah menggunakan 1 buah thyrisor dan 1 buah dioda yang terpasanga secara antiparalel dan terhubung pada beban pemanas (h eater) 1 kW, 230 V. Tentukan daya beban untuk sudut penyalaan thyristor sebesa r 450. Penyelesaian: ; Pada tegangan suplai standard 230V, daya disipasi pemanas 1KW . Jadi Tahanan pada pemanas Tegangan rms keluaran ; untuk sudut penyalaanBesarnya arus efektif keluaranDaya bebanF. EVALUASI 1. Tentukan besarnya arus rata-rata dan arus efektif yang mengalir melalui beban pemanas dari rangkaian pada gambar. Sudut penyalaan kedua SCR adalah 450.2. Suatu pengendali tegangan 1 fasa digunakan untuk mengontrol aliran daya dari sebuah sumber tegangan sebesar 220 V, 50 Hz ke beban yang terdiri dari R = 4 dan L = 6 .. Hitung: a. Range sudut pengendalian b. Arus rms beban maksimum c. Faktor kerja maksimum d. Arus thyristor rms maksimum. 3. Anda diminta untuk menemukan 2 buah contoh soal mengenai regulator tegan gan ac berikut dengan jawabannya. Contoh soal dapat anda peroleh dari buku teks, learning material, dst. Berikan tanggapan anda tentang contoh soal tersebut, mi salnya berkaitan dengan ketuntasan dan kejelasan pembahasan, tingkat kesukaran d sb. Catatan: Tugas ini harus Saudara dikerjakan masing-masing. Jawabannya dikirim le wat email dengan alamat seperti yang tertera pada modul ini dan telah sampai pad a Dosen Pembimbing paling lambat 2 minggu terhitung dari tanggal modul ini Sauda ra download. Harap sertakan keterangan tanggal Saudara men download modul ini. Penilaian jawaban modul ini akan memperhitungkan jawaban yang masuk tepat pada w aktunyaH. PENUTUP Pembahasan yang telah dilakukan pada bagian ini telah menyelesaikan materi menge nai regulator tegangan 1 fasa dengan pengendalian 1 arah dan pengendalian 2 arah . Pemahaman tentang cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat (rumus akhir dari set iap pembahasan) tetap merupakan fokus dari materi ini. Agar pemahaman Saudara le bih mantap, coba Saudara kerjakan lagi soal yang ada tanpa melihat modul ini. Sa udara dipastikan telah dapat memahami materi dalam modul ini dengan baik, jika S audara dapat mengerjakannya tanpa melihat catatan,. I. 1. 2. 3. 4. Daftar Pustaka Cyril W. Lander (1981), Power Electronics DA Badley (1995), Power Electronics PC. Sen (1985). Principles of Electrical Machines and Power Electronics. Mohan (1989), Power Electronics, Converter Application and Design.J. Biografi Penulis Aswardi, lahir di Bukit Tinggi 21 Februari 1959. Menamatkan pendidikan p ada jenjang strata 1 (S1) pada Fakultas pendidikan Teknologi dan Kejuruan (FPTK ) IKIP Padang tahun 1983. Melanjutkan pendidikan pada jenjang Magister Teknik (S 2) pada tahun 1996 di Institut Teknologi Bandung dan selesai pada tahun 1999 pad a bidang Mesin-mesin Listrik dan Elektronika Daya. Meminati dan menekuni penelit ian bidang Mesin listrik dan Elektronika Daya, serta Electric Drive