aryulius.files.wordpress.com · Web viewTegangan balik puncak, VPIV = √2 x 120 = 169.7 V Cos θ =...
Transcript of aryulius.files.wordpress.com · Web viewTegangan balik puncak, VPIV = √2 x 120 = 169.7 V Cos θ =...
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
BAB 12 SAKLAR STATIS
1. PENDAHULUAN
2. SAKLAR AC SATU FASA
3. SAKLAR AC TIGA FASA
4. SAKLAR PEMBALIK ARUS BOLAK BALIK TIGA FASA
5. SAKLAR AC UNTUK PERPINDAHAN BUS
6. SAKLAR DC
7. RELE SOLID STATE
8. DESAIN SAKLAR STATIS
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 1
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
BAB 12SAKLAR STATIS
1. Pendahuluan
Transistor daya dapat digunakan sebagai saklar untuk aplikasi dc-daya rendah. Saklar
statis mempunyai keuntungan antara lain kecepatan pensaklaran yang tinggi, tidak ada
bagian yang bergerak, dan tidak terhubung kembali saat tertutup. Saklar statis dapat
diklasifikasikan menjadi 2 tipe:
a. ac switch : satu fasa dan tiga fasa
b. dc switch
Pada saklar ac, thyristor dikomutasi secara natural atau line dan kecepatan pensaklaran
dibatasi oleh frekuensi dan waktu turn-off dari thyristor. Sedangkan pada saklar dc
terkomutasi paksa dan kecepatan pensaklaran tergantung pada siklus komutasi dan waktu
off thyristor yang cepat.
2. Saklar AC Satu Fasa
Prinsip kerjanya adalah dimana 2 thyristor dihubungkan terbalik paralel. Thyristor
T1 dinyalakan pada ωt = 0 dan thyristor T2 dinyalakan saat ω t = π . Tegangan output sama
dengan tegangan input. Thyristor berfungsi sebagai saklar dan terkomutasi line. Bentuk
gelombang untuk tegangan input, tegangan keluaran, dan arus keluaran ditunjukkan pada
gambar 5-1b.
Dengan beban induktif, thyristor T1 seharusnya dinyalakan ketika arus melewati beban
nol selama ½ siklus positif dari tegangan input dan thyristor T2 seharusnya dinyalakan
ketika arus melalui beban nol selama ½ siklus negatif dari tegangan input. Pulsa
penyalaan untuk T1 dan T2 ditunjukkan dalam gambar 5-1c. TRIAC mungkin juga
digunakan disamping 2 thyristor ditunjukkan dalam gambar 5-2.
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 2
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
Gambar1. Saklar AC thyristor Satu Fasa
Gambar 2. Saklar AC TRIAC 1 Fasa
Jika arus line seketika adalah i(t) = Im sin ω t, arus line rms adalah
Karena tiap thyristor membawa arus hanya untuk 1 ½ siklus, arus rata-rata melalui tiap
thyristor adalah
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 3
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
dan arus rms tiap thyristor
Rangkaian 5-1.a dapat dimodifikasi seperti gambar 5-3.a dimana 2 thyristor mempunyai
katoda bersama dan sinyal gate mmepunyai terminal bersama. Thyristor T1 dan dioda D1
konduksi untuk 1 ½ siklus dan thyristor T2 dan dioda D2 konduksi untuk ½ siklus lainnya.
Gambar. Saklar AC 1 Fasa dengan Jembatan Dioda dan Thyristor
Penyearah jembatan dioda dan thyristor T1 ditunjukkan pada gambar 5-4. a dapat
menunjukkan fungsi yang sama seperti gambar 5-1.a. Arus yang melalui beban adalah
ac dan yang melalui thyristor T1 adalah dc. Transistor dapat menggantikan thyristor T1.
Unit yang terdiri dari transistor atau thyristor dan penyearah jembatan dikenal sebagai
saklar bidirectional.
Gambar. Saklar ac 1 Fasa dengan Penyearah Jembatan dan Thyristor
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 4
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
3 Saklar AC Tiga Fasa
3 saklar Satu fasa dalam gambar dapat dihubungkan membentuk saklar tiga fasa seperti
gambar . Sinyal gate untuk thyristor dan arus melalui T1 ditunjukkan pada gambar .
Beban dapat dihubungkan secara Wye atau Delta.
Untuk mengurangi jumlah thyristor dan biaya, sirkuit dengan diode dan thyristor yang
sama sperti ditunjukkan pada gambar 5-3.a dapat digunakan untuk bentuk 3 fasa saklar
seperti gambar 5-6. Pada kasus 2 thyristor dihubungkan (back to back) berbalik ada
kemungkinan untuk menghentikan aliran arus tiap ½ siklus. Tapi dengan sebuah dioda
dan thyristor, aliran arus hanya dapat dihentikan tiap siklus dari tegangan input dan
waktu reaksi menjadi lambat.
4. Saklar Pembalik Arus Bolak Balik Tiga Fasa
Pulsa gate dan thyristor T1 melalui T6 dihidupkan. Line A mengisi terminal a, line B
mengisi terminal b, dan line c mengisi terminal c.Pembalikan daya 3 fasa yang disuplai
untuk beban dapat dilakukan dengan 3 fasa dan dengan menambah 2 saklar 1
Di bawah operasi phasa-berlawanan, thyristor T2, T3, T5, dan T6 dimatikan oleh pulsa
gerbang dan thyristor T7 melalui T10 yang beroperasi. Line B mengisi terminal c dan line C
mengisi terminal b, menghasilkan phasa yang berlawanan dari tegangan beban. Untuk
memperoleh phasa yang berlawanan, semua peralatan harus thyristor. Komutasi thyristor
dan diode ditunjukkan pada gambar 5-6 tidak dapat digunakan; sebaliknya, short circuit
phasa ke phasa akan terjadi.
Gambar 5-6. Saklar ac Tiga Fasa dengan Diode dan Thyristor
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 5
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
5. Saklar AC Untuk Perpindahan Bus
Saklar statis dapat digunakan untuk perpindahan bus dari sumber catu ke lainnya. Pada
sistem yang mensuplai secara praktis, itu kadang-kadang dibutuhkan untuk saklar beban
dari sumber normal dan ke sumber alternatif dalam kasus:
1) Tidak terdapatnya sumber normal
2) Kondisi tegangan jatuh/tegangan lebih dari sumber normal
Gambar 5-8. Saklar 1 Fasa Perpindahan Bus
Ketika thyristor T1 dan T2 beroperasi, beban yang dihubungkan ke sumber normal dan
untuk perpindahan ke sumber alternatif, thyristor T1 ’ dan T2 ’ beroperasi, sementara T1
dan T2 dimatikan dengan menghambat pulsa gate.
6. Saklar DC
Pada kasus saklar dc, tegangan input adalah dc dan transistor daya atau thyristor fast-
switching dapat digunakan. Sekali thyristor dihidupkan, itu harus dimatikan dengan
komutasi paksa dan saklar. Transistor berkutub tunggal ditunjukkan pada gambar 5-10
dengan beban resistif; dan pada kasus beban induktif, sebuah diode harus dihubungkan
melalui beban untuk melindungi transistor selama saklar mati. Saklar satu kutub dapat
dilanjutkan untuk perpindahan bus dari sumber satu ke sumber lainnya.
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 6
Kuliah ELDA 2012 : Salklar StatisGambar 5-10. Saklar DC 1 Kutub Dengan Transistor
Jika thyristor yang dikomutasikan paksa digunakan, sirkuit komutasi adalah bagian yang
terintegral dari saklar dan saklar dc tipikal untuk aplikasi daya tinggi ditunjukkan pada
gambar 5-11. Jika thyristor T3 dinyalakan, kapasitor C diisi melalui suplai, L dan T3. Dari
persamaan (3-2) dan (3-3), pengisian arus dan tegangan kapasitor dinyatakan sebagai
dimana:
Setelah waktu t = to LC = , pengisian arus menjadi nol dan kapasitor diisi hingga 2 Vs.
Jika thyristor T1 sedang konduksi untuk power supply ke beban, thyristor T2 dinyalakan
hingga T1 mati. Penyalaan T2 menyebabkan pulsa resonansi dari arus yang melalui
kapasitor C, induktor L, dan thyristor T2. Sebagaimana arus resonansi yang meningkat,
arus melalui thyristor T1 berkurang. Ketika arus resonansi naik untuk arus beban, IL, arus
thyristor T1 turun hingga nol dan thyristor T1 dimatikan.
Kapasitor melepaskan muatan melalui resistansi beban, RL.Diode freewheeling, Dm
melalui beban adalah diperlukan untuk beban induktif. Kapsitor harus melepaskan muatan
dengan lengkap setiap aktivitas pensaklaran dan tegangan negatif pada kapasitor dapat
dicegah dengan menghubungkan satu resistor dan satu dioda seperti gambar 5-11. Itu
tidaklah mudah, untuk mematikan rangkaian dc dari saklar dc statis membutuhkan sirkuit
tambahan untuk kondisi turn-off.
Saklar dc dapat dipakai untuk mengatur aliran daya pada tegangan yang sangat tinggi dan
aplikasi arus tinggi (misal reaktor fusi) dan dapat juga digunakan untuk pemutus arus fast-
dering. Di samping transistor, GTO dapat digunakan. GTO dihidupkan dengan
mengaplikasikan pulsa positif singkat sehingga gerbangnya sama pada thyristor normal.
Bagaimanapun juga, GTO dapat dimatikan dengan memakai pulsa negatif singkat hingga
gerbangnya tidak membutuhkan pengulangan komutasi lagi.Aryulius Jasuan @ revisi 2012 7
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
G a m b a r 5 - 1 2 . S a k l a r D C K u t u b T u n g g a l D e n g a n G T O
7 Rele Solid State
Saklar statis dapat digunakan sebagai Rele Solid State (SSR), yang mana digunakan
untuk kontrol daya ac dan dc. SSRs mendapatkan banyak aplikasi pada control industri
(eg kontrol dari beban motor, transformer, pemanasan resistansi, dan sebagainya) untuk
menggantikan rele elektromekanik. Untuk aplikasi ac, thyristor atau TRIAC dapat
digunakan dan untuk dc aplikasi, transistor dapat digunakan. SSRs secara elektrik
diisolasi normal antara sirkuit kontrol dan sirkuit beban dengan rele reed, transformator,
atau opro coupler.
Gambar 5-13 menunjukkan 2 sirkuit dasar untuk SSRs dc, satu dengan isolasi rele reed
dan persyaratannya hanya 1 rangkaian gerbang untuk 1 TRIAC. Gambar 5-14
menunjukkan SSRs dengan rele reed, isolasi trafo, dan opto coupler. Jika persyaratan
aplikasi membutuhkan thyristor untuk level daya tinggi, rangkaian pada gambar 5-1.a
dapat juga digunakan untuk mengoperasikan SSR bahkan pun kompleksitas dari
rangkaian gerbang akan meningkat. 1 Fasa pada gambar 5-1.a dapat digunakan untuk
menjalankan operasi SSR, rangkaian pada gambar 5-2 dengan TRIAC secara normal
digunakan untuk daya ac, karena lainnya dengan optp coupler.
8. Desain Saklar Statis
Saklar solid state terdapat secara komersial dengan tegangan yang dibatasi dan range
testing arus dari 1 A hingga 50 A dan hingga 440 V jika kebutuhan untuk desain SSRs
untuk mengetahui persyaratan yang spesifik, desain sederhana, dan membutuhkan
penentuan tegangan dan rating arus dari peralatan semikonduktor daya. Prosedur
desainnya dapat dijelaskan pada contoh.
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 8
Kuliah ELDA 2012 : Salklar Statis
C O N T O H 5 - 1Saklar ac 1 fasa dengan konfigurasi pada gambar 5-1.a digunakan antara suplai 120 V,
60 Hz, dan beban induktif. Daya beban 5 kW pada pf = 0,88 lagging. Tentukan:
a) Rating tegangan dan arus thyristor
b) Sudut penyalaan thyristor
Penyelesaian:
Po = 5000 W, pf = 0,88, dan Vs = 120 V
a) Arus beban puncak
Dari persamaan (5-2), arus rata-rata
Iav = 66,96/π = 21,31 A
Dari pers (5-3), arus rms,
IRMS = 66,96/2 = 33,48 A
Tegangan balik puncak, VPIV = √2 x 120 = 169.7 V
b) Cos θ = 0,88 , θ = 28,36o
Jadi sudut penyalaan T1 adalah α1 = 28,36o dan untuk thyristor T2, α 2
= 180 o + 28,36 o = 208,36o
Contoh 5-2Saklar ac 3 fasa dengan konfigurasi pada gambar 5-5.a digunakan antara tegangan antar
fasa 440 V-60 Hz dan beban terhubung wye 3 fasa. Daya beban 20 kW pada pf = 0,707
lagging. Tentukan rating tegangan dan arus thyristor.
Penyelesaian:
Po = 20.000 W, pf = 0,707, V1 = 440 V dan Vs = 440/ √ 3- = 254,03 V. Arus line
dihitung dari daya sehingga:
arus puncak dari thyristor, Im =√ 2 x 37,119 = 52,494 A.arus rata-rata dari thyristor,
=16.71 A, arus puncak dari thyristor, = 33.48A
Tegangan balik puncak thyristor, PIV = √2 x 440 = 762,1 V
Aryulius Jasuan @ revisi 2012 9