elektronika Daya

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 PENGGUNAAN ELEKTRONIKA DAYA

Semakin meningkatnya pemanfaatan tenaga listrik dalam

bidang industri terutama dalam sistem pengaturan bidang

kelistrikan. Salah satu bidang utama dalam bidang teknik

kelistrikan adalah bidang Elektronika Daya yang memiliki

kemampuan yang sangat efektif dalam pengontrolan dari

penggerak motor listrik

Sistem elektronika daya merupakan gabungan dari daya,

listrik, elektronika, dan sistem kontrol. Elektronika Daya

sangat dapat dimanfaatkan dalam sistemrangkaian listrik statis

dan sistem rangkaian listrik dinamis. Elektronika Daya telah

dikembangkan dalam posisi teknologi modern seperti beberapa

variasi sistem seperti, kontrol, pengontrolan cahaya, kontrol

motor, kontrol suplay daya dan sistem transmisi arus searah.

Hal-hal tersebut dapat dilihat pada tabel 1.1

Hubungan antara Elektronika Daya dengan daya listrik,

elektronika, dan sistem kontrol dapat dilihat pada gambar 1.1

Peralatan Daya

Listrik Statik

dan Dinamik

Perangkat

elektronika

dan Rangkaian

Kontrol Analog

Kontrol

Digital

Gambar 1.1 Hubungan antara Elektronika daya pada daya listrik,

elektronika, dan sistem kontrol

Rangkaian Elektronika Daya dapat diklafikasi dalam 4 tipe

secara umum

1. AC/DC Converter

a. AC/DC Converter ( Uncontroller Rectifier )

b. AC/DC Converter ( Controller Rectifier )

2. AC/AC Converters ( AC Voltage Controllers )

3. DC/DC Converters ( DC Chopper )

4. DC/AC Converters ( Inverter )

Sistem blok suatu elektronika daya dengan beban-beban ( Motor,

Lampu, R,L,C ) dapat dilihat pada gambar 1.2

DC

AC

AC

AC

AC

DC

DC

DC

Keterangan :

1. Beban Motor AC

2. Beban Motor DC

3. Beban RLC

4. Beban Lampu

Gambar 1.2 Sistem blok Elektronika Daya dengan beban Motor,

Lampu, dan R,L,C

Tabel 1.1 BEBERAPA PEMANFAATAN ELEKTRONIKA DAYA

ADVERTISINGAIR CONDITIONINGAIRCRAFT POWER SUPPLIESALARMSAPPLIANCESAUDIO AMPILIFIERSBATTERY CHARGESBLOWERSBURGLAR ALARMCEMENT KILNCHEMICAL PROCESSINGCLOTHES DRYERSCOMPUTERSCONVEYERSCRANES 2 NOISTS

DIMMERSDISPLAYSELECTRIC BLANKETSELECTRIC DRYERSELECTRIC FANSELECTRIC VEHICLESELECTROMAGNETELECTRO PLATINGELECTRONIC IGNITIONELECTROSTATIC PRECIPITATORSELEVATORSFANSFOOD MIXERSFOOD WARMERSFLASHERS

FORKLIFT TRUCKSFURNACESGAMESGARAGE DOOR OPENERSGAS TURBINE STARTINGGENERATOR EXCETERSGRINDERSHAND POWER TOOLSHEAAT CONTROLHIGH FREQUENCY LIGHTINGHIGH VOLTAGE DCINDUCTION HEATINGLASER POWER SUPPLIERSLATCHING RELAYSLIGHT DIMMERLIGHT FLASHERSLINER INDUCTION MOTOR CONTROLSLOCOMOTIVESMAGNETIC RECORDINGMACHINE TOOLSMAGNETSMERCURY ARC LAMP BALLASTMININGMODEL TRAINSMOTOR CONTROLSMOTOR DRIVERSMOVIE PROJECTORSNUCLEAR REACTORS CONTROLDILWELL DRILLINGOVEN CONTROLSPAPER MILLSPARTICLE ACCELERATORPEOPLE MOVERSPHONGGRAPHSPHOTO COPIESPHOTOGRAPHIC SUPPLIES

POWER SUPPLYPRINTING PRESSPUMPS DAN COMPRESSORRADAR DAN SONAR POWER SUPPLYRANGE SURFACE UNITREFRIGERATOR POWER SUPPLIESREGULATORSRF-AMPSECURITY SYSTEMSEWING MACHINESSOLAR POWER SUPPLYSOLID STATE CONVACTORSSOLID STATE RELAYSSPACE POWER SUPPLYSTATIC SIRCUIT BREAKERSTATIC RELAYSTEEL MILLSSYNCHRONOUS MACHINE STARTINGSYNTETICS FIBERSTELEVISION CIRCUITSTEMPERATUR CONTROLTIMERSTV DEFLECTIONULTRASONIC GENERATORSUPSVACUM CLEANERSV.A.R COMPENSATIONVENDING MACHINEVLF TRANSMITTERVOLTAGE REGULATORSWASHING MACHINEWELDINGPLC : PROGRAMABLE LOGIC CONTROLDC-PM MOTOR APPLICATIONCNC-MACHINE CONTROL

CONTOH SEDERHANA

I. AC/DC CONVERTERS

a. AC/DC CONVERTER (Uncontroller Rectifier)

Rl

D1

D2

Vs

t

Vs

b. AC/DC CONVERTER (Controller Rectifier

II. AC/DC CONVERTER (Controller Rectifier)

III. DC/DC CONVERTER (CHOPPER)

Rl

D1

D2

t

Rl

T1

T2

Vs

t

t

Rl

TRIAC

Vs

t

t

Vs

tt T

IV. DC/AC CONVERTER (INVERTER

1.2 PERANGKAT SEMIKONDUKTOR DAYA

T1

D1 Rl

DC SUPPLY

t

Vs

t T

DC SUPPLY

Q1

Q2

Q3

R1

tTT/2

Vs

tT/2

TVs

tTT/2

Vs

Sejak tahun 1970 beberapa tipe dari perangkat semikonduktor

daya dibuat dan menjadi sangat komersial dibagi dalam 4 tipe :

1. Dioda Daya

2. Thyristor

3. Power Bipolar Junction Transistor (BJT)

4. Power Mosfet

Thyristor dapat dibagi atas tipe-tipe

a. Forced commutated thyristor

b. Line commutated thyristor

c. Gate turn off thyristor

d. Reverse conducting thyristor

e. Static induction thyristor

f. Gate assisted turn off thyristor

g. Light activated silicon controlled rectifier

Pada table 1.2 memperlihatkan konfigurasi beberapa piranti

semikonduktor daya

Pada table 1.3 memperlihatkan karakteristik v.1 dan symbol

dari piranti semikonduktor daya yang dipakai secara umum.

Tabel 1.2 rating dari perangkat-perangkat semikonduktor daya

TIPEVOLTAGE/CURRENTRATING

SWITCHINGTIME (MS)

ON VOLTAGEAND CURRENT

DIODA

Generalreverse

High speedSchottky

3000 V /3500 A

3000 V /1000 A

400 / 60 A

-2 – 50,23

1,6 V / 10KA2 V / 3000KA0,58 V / 60 A

FORCED TURNOFF

THYRISTOR

ReverseblockingHigh speedReverse

3000 V/1000A1200V/1500A2500V/400A2500V/1000A

400204040

2,5V/10KA2,1V/4500A2,7V/1250A2,1V/1000A

blockingReverse

conductingGattLight

triggered

1200V/400A6000V/1500A

8200-400

2,8V/1250A2,4V/4000A

TRIAC 1200V/300A 1,5 V / 420 A

SELF TURNEDOFF

THYRISTOR

Gto sith 3600 V / 600A

4000 V/ 2200A

256,5

2,5 V / 1000A2,3 V / 400 A

POWERTRANSISTOR

SingleDarlington

400 V / 250A

400 V / 40 A630 V / 50 A900 V / 200A

961,740

1 V / 250 A1,5 V / 49 A0,3 V / 20 A

2 V

STT - 1200 V/ 10 A 0,55 1,2 OHM

POWERMOSFET

- 500 V / 8,6A

1000 V / 4,7A

500 V / 10 A

0,70,90,6

0,62

0,4

RANCANGAN DARI POWER ELECTRONICS EQUIPMENT

Dalam perancangan peralatan elektronika dapat dibagi kedalam 4

bagian utama

1. Rancangan dari rangkaian daya

2. Proteksi dari piranti daya

3. Perhitungan dari strategi control

4. Rancangan dari logic dan rangkaian gatenya

Bagaimanapun, suatu rancangan, dengan analisis sederhana

dari suatu rangkaian adalah sangat berguna untuk dimengerti

cara kerja rangkaian dan menetapkan karakteristik dan strategi

control. Cara kerja dari Konverter daya didasarkan pada saklar

dari piranti semikonduktor daya dan sebagai suatu hasil dari

arus dan tegangan harmonic kedalam system sumber dan pada

keluaran converter. Hal tersebut yang dapat muncul persoalan

distorsi pada tegangan output, generasi harmonic ke system

supply dan interferensi dengan komunikasi dan rangkaian

signal. Secara normal diterapakan system filter kedalam input

dan output converter tersebut, untuk meredam harmonic.

Pada gambar berikut memperlihatkan blok diagram dari

converter secara umum

Gambar 1.4 Struktur Konverter Daya Secara Umum

Gambar 1.5 Struktur Konverter-konverter secara keseluruhan

(Multi-Converter)

Input

Filte

r

Power

Converter

Output

Filter

Switching Control

Signal Generator

~~

~=

==

=~

~ = = ~Motor AC Motor DC Motor DC Motor AC

AC AC DC DC AC

Sebagai Contoh

1. AC/AC Converter

Input : Output :

Tegangan Vi Tegangan V0

Arus Ii Arus I0

Frekuensi Fi Frekuensi F0

Daya Pi Daya P0

Vi = Vmi Sin (t) Vo = Vmo Sin (t)

Ii = Imi Sin (t) Io = Imo Sin (t)

~~

INPUT

OUTPUT

Vs

t

Vs

t

Vo

Io

Vo

Io

KESIMPULAN

Sebagai suatu teknologi untuk piranti semikonduktor daya

dan pengembangan rangkaian terintegrasi. Pentingnya untuk

pemanfaatan elektronika daya menjadi sangat luas. Telah banyak

sekali piranti elektronika daya yang secara konvensioanl

sangat mampu dan pengembangan bidang ini sangat berlanjut

terus. Konverter daya secara umum dikategorikan dalam (1)

AC/DC Konverter (Rectifier), (2) AC/AC Konverter, (3) DC/DC

Konverter, (4) DC/AC Konverter (Inverter). Rancangan rangkaian

elektronika daya dinginkan rancangan daya dan rangkaian

control. Tegangan dan arus harmonic yang dibangkitkan oleh

converter daya dapat dikurangi (meminimalkan) dengan pilihan

yang menguntungkan dengan strategi control.

BAB II

PIRANTI ELEKTRONIKA DAYA

2.1 PERANGKAT ELEKTRONIKA DAYA

Sejak perangkat utama elektronika daya dibuat dengan

teknologi yang sangat baik terutama pengaruh dari penemuan

dari perangkat konduktor daya. Maka sejak tahun 1970,

perangkat piranti seperti thyristor telah dipakai dengan

sangat spesifik dan efektif pada pemanfaatan terutama di

industry yang berkaitan dengan elektronika daya.

Sesuai dengan penemuan tersebut, maka piranti perangkat

utama dapat diklafikasi ke dalam 4 tipe yaitu : 1) Dioda Daya,

2)Thyristor, 3)Power Bipolar Junction Transistor (BJT), dan

4)MOSFET-Daya. Akibat perkembangan dengan pemanfaatan yang

sangat efektif, maka perangkat Thyristor diklafikasi ke dalam

7 tipe yaitu

1. Forced Commutated Thyristor

2. Line Commutated Thyristor

3. Gate Turn Off Thyristor (GTO)

4. Reverse Conducting Thyristor (RCT)

5. Static Induction Thyristor (SITH)

6. Gate Assisted Turn Off Thyristor (GATT)

7. Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR)

2.2 KARAKTERISTIK PIRANTI ELEKTRONIKA

a) Dioda

b) Thyristor

c) Transistor

d) MOSFET

2.3 KARAKTERISTIK KONTROL DARI PIRANTI DAYA

Piranti semikonduktor daya dapat di operasikan sebagai

sakelardengan menggunakan sinyal control pada terminal GATE

dari THYRISTOR. Keluaran yang diinginkan diperoleh dengan

variasi-variasi waktu konduktion dari saklar-saklar tersebut,

pada gambar berikut memperlihatkan tegangan keluaran dan

karakteristik control dari yang secara umum dipakai pada

perangkat-perangkat saklar daya.

Piranti-piranti saklar semikonduktor daya dapat

diklafikasi sesuai dengan sebagai berikut :

1. Uncontrolled Turn On and Off ( Contoh Dioda)

2. Controlled Turn On and Controlled Turn Off ( Contoh

SCR)

3. Karakteristik Controlled Turn On and Off ( Contoh :

BJT, MOSFET, GTO)

4. Continous Gate Sinyal Requirment (BJT, MOSFET)

5. Pulse Gate Requirement ( contoh : SCR, GTO )

6. Bipolar Voltage Withstanding Capability (SCR)

7. Unipolar Voltage Withstanding Capability (BJT, MOSFET,

GTO)

8. Bidirectional Current Capability (RCT, TRIAC)

9. Unidirectional Current Capability ( Dioda, SCR, GTO,

BJT, MOSFET)

2.4 TIPE-TIPE RANGKAIAN ELEKTRONIKA DAYA

Rangkaian elektronika daya dapat diklafikasi ke dalam 4 tipe :

1. a. AC-DC Uncontrolled Converters (Uncontrolled Rectifiers

= Diode Rectifiers)

b.AC-DC Converters (Controlled Rectifier)

2. AC-DC Converters (AC Voltage Controllers)

3. DC-DC Converters (DC Choppers)

4. DC-AC Converters (Inverters)

Contoh Sederhana

1.

a. AC – DC Uncontrolled Converters

Gambar 2.2.a

b. AC – DC Controlled Converters

Gambar 2.2.b

2. AC – AC Converter Single Phase

Gambar 2.3

3. DC – DC Converters ( DC – Chopper )

Gambar 2.4

4. DC – AC Converter ( Inverter )

Gambar 2.5

2..5 RANCANGAN DARI PERALATAN ELEKTRONIKA DAYA

Perencanaan peralatan elektronika daya dapat dibagi kedalam 4

bagian

1. Rancangan Rangkaian Daya

2. Pengamanan Piranti Daya

3. Perhitungan dari Strategi control

4. Rancangan Logik dan Rangkaian Gate

Input

Filte

r

Power

Coverter

Output

Filter

Switching

Control Sicnal

Generator

Sumber Daya

Gambar 2.6 Structur Umum Dari Converter Daya

Pada penjelasan sebelumnya, ada beberapa tipe rangkaian

elektronika-daya yang berupa uraian dan analisa dasar. Pada

analisa-analisa tersebut, perangkat daya diasumsikan sebagai

suatu saklar, dan berupa rangkaian efektif dari tahanan, dan

induktansi. Bagaimana pun rancangan awal suatu analisa yang

sederhana dari suatu rangkaian adalah sangat berguna dan

dimengerti. Cara kerja dari rangkaian dan menetapkan

karakteristik dan strategi control.

Sebelum prototype dibuat, rancangan dapat dianalisi dari

parameter-parameter rangkaian dan akan dimodifikasi rancangan

bila perlu.

2.6 KESIMPULAN

Suatu teknologi untuk piranti semikonduktor daya dan

membentuk rangkaian terintegrasi, maka potensi untuk

penggunaan elektronika daya menjadi sangat luas. Telah banyak

piranti semikonduktor daya yang komersial dengan baik.

Konverter daya yang secara umum terdiri atas 1) AC-DC

Converters, 2) AC-AC Converters, 3)DC-DC Converters, 4)DC-AC

Converters. Rancangan dari rangkaian Elektronika Daya

diharapkan dengan perencanaan daya dan rangkaian control.

2.7 PERTANYAAN

1. Berikan penjelasan tentang Elektronika Daya

2. Berikan uraian tentang komponen elektronika daya

3. Berikan uraian tentang prinsip AC-DC Converter

4. Berikan uraian tentang prinsip AC-AC Converter

5. Berikan uraian tentang prinsip DC-DC Converter

6. Berikan uraian tentang prinsip DC-AC Converter

BAB III

KONVERTER AC – DC

3.1 PENDAHULUAN

Piranti elektronika yang sangat luas pemakaiannya dalam

system penyearah ( AC/DC Converter ) adalah diode. Rangkaian

perangkat diode secara umum dipakai di elektronika daya untuk

proses signal dalam mengkonversi system AC ke system DC.

Konverter AC-DC secara umum dikenal sebagai suatu penyearah

(rectifier), dan penyearah diode menghasilkan tegangan

keluaran searah yang tepat dan ideal.

Suatu converter AC-DC dapat dianalisa dengan menginput

tegangan arus yang bersifat bolak-balik dan memiliki sifat

gelombang berharmonik atau tidak berharmonik. Sehingga

keluaran gelombang searahnya dapat berupa gelombang searah

yang berharmonik atau tak berharmonik, seperti pada gambar 3.1

DC

AC

ωt

V2V2

ωt

V2 V2

‘

Pemakaian AC/DC Converter digunakan pada Industri-industri,

Kontrol, Motor DC dengan Variable Speed

Tipe

1. Uncontrol Converter ( 1 Phasa, 2 Phasa,dan Multiphase )

2. Control Rectifier ( 1 Phasa, 2 Phasa,dan Multiphase )

Klasifikasi

1. Single Phase

2. Three Phase

3. Multi Phase

3.2 PENAMPILAN PARAMETER-PARAMETER

Nilai Rata-Rata Dari Tegangan Keluaran (Beban), Vdc

Nilai Rata-Rata Dari Arus Keluaran (Beban), Idc

ωt ωt

Gambar 3.1 Karakter Gelombang AC-DC

Daya Keluaran DC : Pdc = Vdc.Idc

Nilai Efektif Tegangan Keluaran Vrms

Nilai Efektif Arus Keluaran Irms

Daya Keluaran AC : Pac = Vrms.Irms

Efisiensi : η=PdcPac

Nilai Komponen Efektif dari komponen AC dari tegangan keluaran

Vac=√Vrms2−Vdc2

Faktor Bentuk (Form-Factor)

FF= VrmsVdc

Faktor Riak (Ripple Factor) :

RF= VacVdc

RF=√Vrms2−Vdc2

Vdc =√(VrmsVdc )2

+12=√FF2−12

Transform Utilization Factor : TUF

TUF=PdcVsIs

Displacement Factor

DF=cosϕ

Harmonic Factor :

A=(Is2−Ii2

Ii2 )1/2

=[(IsIi )2

−1]1 /2

Input power Factor :

PF= VsIiVsIs

cosϕ=IiIs

cosϕ

3.3 TEKNIK KOMUTASI THYRISTOR

Pendahuluan.

Suatu Thyristor secara normal membuat ON dengan

menggunakan sebuah pulsa sinyal gate. Ketika sebuah Thyristor

dalam keadaan konduksi tegangan turun 0,25 ke 2 volt. Ada

banyak teknik untuk mengkomutasi sebuah Thyristor, dibagi

dalam 2 tipe :

1. Natural Commutation

2. Forced Commutation

Natural Commutation.

Bila tegangan input adalah AC, arus thyristor menjadi nol

dan tegangan mundur muncul lewat thyristor. Piranti secara

otomatis menjadi off seharusnya terhadap sifat asli dari

tegangan sumber : ini disebut natural commutation atau Line

Commutation

Forced Commutation

Dalam beberapa rangkaian thyristor, tegangan input adalah

DC dan arus maju dari thyristor ditekan kezoo dengan menambah

rangkaian komutasi untuk mengoff kan thyristor, Cara ini

disebut forced commutation dan secara normal dipakai dalam DC-

DC converter dan DC-DC converter (Inverter). Ada beberapa

klafikasi

1. Self Commuttation

2. Impluse Commutation

3. Resonant Pulse Commutation

4. Complementary Commutation

5. External Pulse

6. Load Side Commutation

7. Line Side Commutation

T1 Rl

T1

c

LVm

t

2 t

Vm

t

t

Vs

Thyristor dengan natural commutation

V3=VL+VC=Ldidt

+1C∫1dt+Vc(t=0)

Initial Condition VC (t=0) i

i (t )=Vs√CL sinωmtVC (t )=Vs¿

ωm=1

√LC

t

Vs

Impulse Commutation

T1 Rl

T1

c

L

t

Tipe rangkaian dimana kapasitor voltage Vo

Bilamana T1 dinyalakan Arus mengalir dalam rangkaian

[Ldidt +1C∫idt+Vc(t=0)]=0

VC (t=0 )=−Vodani (t=0 )=¿0

maka persamaan memberi arus pada C

i (t )=Vo√CL sinωmtdan tegangan kapasitor C

VC (t )=−Vocosωmt

T1

Dm

T2

C

T1

Dm

T2

C

L

T3Vs

t

t

Vs

Contoh Soal :

Rangkaian komutasi mempunyai kapasitansi ¿20μF , L=25μH,initial tegangan kapasitor sama dengan tegangan inputV0=Vδ=200V1, Bila arus Im RA 50 = 200 A. Tentukan variasi dari

waktu tq

T1

Dm

T2

L

CT3

L

tc=i+im

Vc=1C∫

icdt+VC (t=0)=−L1didt=−L1

didt

¿¿

V0=1C∫0

tqImdt=

ImtqC

tq=V0CIm

Im=arusbebankonstan

T1

Dm

T2

L

C

Initial condition IC (t=0 )=Im

dan VC (t=0 )=−V1=−Vs=−Vs

ic (t )=V0√ CL1sinω1t+Imcosω1t

VC (t )=Im√L1C sinω1t+Imcosω1t

dimana ω1=1

√L1C bila VC (t=tq )=0

tq=√CL1tan−1 ¿

C L1 V0 Im tq

20 μF 25 μH 200 V 50 A 29,0 μs

20 μF 25 μH 200 V 100 A

23,7 μs

20 μF 25 μH 200 V 200 A

16,3 μs

3.3.3 RESONANT PULSE COMMUTATION

T1

C L

T2

T3

Dm

t

Vs

:

Bila T2 menyala, rangkaian resonant di bentukoleh C1 T1 dan T2

Arus resonant

i (t )=v0√CL sinωmt tq=CV1

Im

¿IPsinωmt

pada saat i (t=t1 )=−v0cosωmt t1=√LCsin−1¿)

Vc (t=t1 )=−V1=−V0cosωmt1

Contoh :

Rangkaian komutasi pulsa resonant C = 30 μF, L = 4 μH, Initial

tegangan kapasitor V0 = 200 V, Hitung waktu pembukaan tq bila

arus dalam Im --- a) 250 A, b) 50 A

a) Im = 250 A t1=√4x30sin−1(250200 √ 430 )=5,192μs

ωm=1

√LC = 91.287,1 rad/det

ωmt1=0,474rad

t

V1=200cos (0,474 )=177,95V dari persamaan tq=CV1

Im

tq=177,95x30200

=21,35μs

b) Im = 50 A

t1=√4x30sin−1( 50200 √ 430 )=1,0095μs

ωm=1

√LC = 9.287,1 rad/det

ωmt1=0,0914rad

V1=200cos (0,0914 )=199,16Vdari persamaan tq=CV1

Im

tq=199,16x30250

=119,5μs

3.3.4 Complimentary Commutation

C

R1 R2

T1 T2

V3=1C∫idt+VC (t=0 )+Ri

Bila VC (t=0 )=−V0=Vs

i (t )=2VRe

−tRC

Vc

Vs

t

t

t

t

Vc (t )=Vs(1−2e−tRC )

VC (t=tq )=0 tq=RCln(2)

3.4AC/DC CONVERTER

1. AC/DC Uncontrolled Converter

2. AC/DC Controlled Converter

1.1 Single Phase Half Wave Rectifier

D1

2

-Vm

t2

VD

t

t

Vm

t

VmVS

Vl

i2

2

I. Analisis

a. Diketahui : Beban R, f = 1/T

ω=2πf, Vs=Vmsinωt

b. Ditanyakan

1. Efisiensi = 𝛈

2. Form Factor = FF

3. Ripple Factor = RF

4. Transform Utilitation Factor = TUF

5. Peak Invers Voltage = PIV

II. Rencana

Vdc=1T∫VL (t)dt=

1T∫0

T2

Vmsinωtdt

¿−Vm

Tω¿

IDC=VDC

R=0,318

Vm

Rf=1 /T ω=2πf

Vrms=[1T∫0T

VL2 (t)dt]

1 /2

Bila VL (t )=Vmsinωt untuk 0≤t≤T /2

Nilai efektif dari tegangan keluaran

Vrms=¿¿

III. Penyelesaian

1. Pdc=VdcIdc=(0,318Vm )2/R; Pac=VrmsIrms=(0,5Vm )2/R

Efisiensi ¿η=Pdc

Pac =

(0,318Vm )2

(0,5Vm)2 =40,5%

2. Form Factor = FF=Vrms

Vdc=

0,5Vm

0,318Vm=1,57=157%

3. Ripple Factor = RF=√1,572−1=1,21=121%

4. TUF=Pdc/VsIs tegangan efektif sekunder trafo adalah

Vs=¿¿

Arus efektif dari sekunder trafo sama dengan arus beban

= IS = 0,5 Vm/R, TUF = (0,318 Vm)2/R / (0,707 Vm) (0,5

Vm)R = TUF = 0,3182 / (0,707x0,5) = 0,286

5. PIV = Vm

3.5 RANCANGAN DAN RANGKAIAN KONVERTER

Dalam hal control REC,, rating arus dari piranti

tergantung pada sudut delay. Rating dari piranti daya harus

dirancang berdasarkan kondisi kasus – jelek, dan ini terjadi

ketika converter mendapat tegangan keluaran rata-rata max

(Vdm)

Keluaran converter berisi harmonic dan tergantung pada

Kontrol sudut, dan kondisi jeleknya berlaku terhadap tegangan

output minimum, maka input/output filter harus dirancang atas

kondisi tegangan keluaran minimum

3.6 KESIMPULAN

Tegangan keluarann rata-rata (daya) dari AC-DC terkontrol

converter dapat dikontrol dengan berbagai waktu konduksi dari

thyristor, tergantung dari tipe-tipe sumber, converter dapat

dalam bentuk 1 fasa, 3 fasa, dan setiap tipe bias dalam bentuk

½ gelombang.

Setengah dan semi serta full converter 3 phasa dipakai

untuk daya dan tegangan tinggi factor daya masukan yang

tergantung pada beban dan dapat diperbaiki, serta rating

tegangan dapat dinaikkan.

BAB IV

KONVERTER AC/AC

4.1 PENDAHULUAN

Suatu switch thyristor dihubungkan antara sumber AC

dengan beban yang mengalir dapat dikontrol dengan berbagai

nilai tegangan rms-nya yang digunakan ke beban.Tipe rangkaian

daya ini dikenal sebagai AC Voltage Controllers.Pemakaian AC

Voltage Controllers kebanyakan digunakan pada industrial

heating,load transformer tap charging,light control,speed control of

polyphase,induction motor and AC magnet control.

Ada 2 tipe control secara umum dipakai yaitu :

1. ON-OFF Control

2. PHASE ANGEL Control

AC Voltage Control diklarifikasikan kedalam 2 tipe yaitu :

1. Single phase controllers

2. Three phase controllers

Kedua tipe ini masing-masing dibagi atas :

a. Unidirectional atau Half wave control

b. Bidirectional atau Full Wave Control

4.2 PRINSIP KONTROL ON-OFF

Prinsip control On-Off dapat dijelaskan dengan sebuah

pengendali gelombang penuh atau satu fasa seperti yang

diperlihatkan pada gambar 4.1(a). Saklar thyristor

menghubungkan sumber AC dengan beban untuk tn, saklar ditutup

dengan sebuah gerbang penghambat pulsa untuk to waktu On, tn,

biasanya terdiri dari sejumlah integral siklus. Thyristor akan

On pada tegangan nol melalui tegangan masukan AC. Pulsa-pulsa

gerbang untuk thyristor T1 dan T2, dan bentuk gelombang masukan

dan keluaran diperlihatkan pada gambar 4.1(b).

Persamaan matematis :

Vs=Vmsint (4.1)

Untuk dibeban is connected n cycle disconnecting m cycle

Vo=[ n2π(n+m)

∫0

2π

2Vs2sin2ωt.d (ωt )]

1 /2

(4.2)

¿Vs√ nn+m

=Vs√K, K=Duty Cycle

n = Switch On

m = Switch Off

Gambar 4.1 Kontrol ON-OFF

Arus Maksimum Thyristor,

Im=¿

Vm

R¿ (4.3)

Im=

n2π (n+m )

∫0

π

Imsinωt .d (ωt)

¿Imn

π (n+m )=K.Imπ

(4.4)

Arus rms dari thyristor,

Ir=[ n2π(n+m)

∫0

πImsinωt.d (ωt)]

1/2

¿Im2 √ n

(n+m )=Im√K2

(4.5)

Contoh 4.1 :

Suatu AC Voltage Controller beban R= 10 Ohm, tegangan input

rms 120V 60Hz, dengan m=75 dan n=25 cyclus. Hitunglah :

a. Tegangan Output rms

b. Daya output

c. Power factor

d. Arus rms

e. Peak thyristor maximum current dan rms current

Jawab :

Diketahui :

Vs = 120V, f=60Hz

R = 10 ohm

m= 75 cyclus; n= 25 cyclus

Ditanyakan :

a. Vo (rms) = ……..?

b. Po = ……..?

c. PF = ……..?

d. Io = ……..?

e. Im,IR = ……..?

Penyelesaian :

Vm=√2.120=169,7V

K=n

n+m=

2525+75

=25100

=0,25

Maka :

a. Vo (rms )=Vs√K

¿120√0,25=60V

Io (rms )=Vo(rms)

R=6010

=6Ampere

b. Po=Io2.R=62.10=360Watt

c. PF=Po

VA,dimanaVA=Vs.Is=120x6=720Watt

¿ 360720=0,5lagging

AtauBisajugaPF=√K=√0,25=0,5

d. Io (rms )=6Ampere

e. The peak Thyristor

Im=Vm

R=169,7V

10=16,97A

Im=n

2π (n+m )∫0

π

Imsinωt.d (ωt)

¿Imn

π (n+m )=K.Imπ

0,25x16,97π

=1,35A

Arus rms Thyristor,

IR=[ n2n(n+m)

∫0

π

Imsinωt.d(ωt)]1 /2

¿Im2 √ n

(n+m )=Im√K2

¿(16,97 )√0,25

2=4,24A

4.3 PRINSIP KONTROL FASA (Phase angel Control)

Prinsip control fasa dapat dijelaskan berdasarkan gambar

4.2(a). Energi yang mengalir kebeban dikontrol dengan menunda

sudut tembak thyristor T1. Gambar 4.2(b) mengilustrasikan

pulsa-pulsa gerbang thyristor T1 dan bentuk gelombang tegangan

masukan dan keluarannya. Dengan adanya diode D1, daerah hanya

dapat bervariasi antara 70,7% dan 100%

Tegangan keluaran dan arus masuk tidak simetris mengandung

komponen DC. Jika ada sebuah trafo masukan akan dapat

menyebabkan masalah kejenuhan. Rangkaian ini adalah pengendali

setengah gelombang satu fasa dan cocok hanya untuk beban

resistif berdaya rendah, seperti pemanasan dab pencahayaan,

karena aliran daya dikontrol oleh setengah gelombang positif

tegangan masukan, jenis pengontrol ini dikenal juga dengan

pengontrol banyak arah(Unidirectional).


Vs=Vmsinωt

(4.6)

¿√2Vssinωt

Delay angel T1 --- t=α

Rms output voltage,

Vo=( 12π [∫α

π2Vs2sin2ωt.d (ωt)+∫

α

2πsin2ωt.d(ωt)])

1 /2

¿( 12π [∫α

π(1−cos2ωt ).d (ωt)+∫

α

2π(1−cos2ωt).d(ωt)])

1/2

(4.7)

¿Vs[ 12π (2π−α+sin2α

3 )]1 /2

GAMBAR 4.2 KONTROL SUDUT 1 FASA

Nilai tenggangan output rata-rata,

Vdc=( 12π [∫απ2Vs2sin2ωt.d (ωt )+∫

α

2π

√2Vs2sin2ωt.d (ωt)])1 /2

(4.8)

¿2Vs

2π(cosα−1)

Contoh 4.2 :

Single phase AC Voltage controller R=10 Ohm, tegangan input

Vs=120V,60Hz,delay angle T1 α=π/2.Hitunglah :

a. Vo(rms) = …….?

b. PF input = …….?

c. Vdc (Average) = …….?

d. Idc = …….?

Jawab:

Diketahui :

Vs = 120 V, f=60Hz

R = 10 Ohm

α = π/2

Dintanyakan :

a. Vo(Rms) = …….?

b. PF input = …….?

c. Vdc (Average) = …….?

d. Idc (Avarage) = …….?

Penyelesaian :

a. V0 (rms )=120√34 ¿103,92V

b. PF-

I0 (rms )=V0 (rms )

R=103,9210

=10,392A

Load power,

P0=I02.R=(10,392)2.10=1079,94Watt

VA=Vs.I0=120x10,392=1247,04VA

PF=P0

VA=1079,941247,04

=0,866Lagging

c. Vdc = −120 √2π

=−27V

d. Idc = Vdc

R=−27

10=−2,7Ampere

Catatan :

Tanda negative berarti arus input selama setengah siklus

positif kurang dibandingkan arus masukan selama setengah

siklus negative. Jika ada sebuah masukan trafo, inti trafo

dapat terjadi saturasi. Pada prakteknya control unidirectional

ini tidak dapat digunakan.

4.4 Pengontrol Dua Arah Satu Fasa Dengan Beban Resitif

Masalah arus masukan DC dapat dicegah dengan menggunakan

control dua arah atau gelombang penuh.Pengontrolan satu fasa

gelombang penuh dengan beban resitif, rangkaiannya ditunjukkan

pada gambar 4.3(a). Selama tegangan masukan setengah siklus

positif, daya yang mengalir dikontrol oleh beberapa sudut

tunda dari thyristor T1, dan Thyristor T2 mengontrol daya

selama tegangan masukan setengah siklus negative. Pulsa-pulsa

yang dihasilkan pada thyristor T1 dan T2 terpisah 180o. Bentuk

gelombang tegangan masukan, tegangan keluaran dan sinyal

gerbang T1 dan T2 diperlihatkan pada gambar 4.3(b).

Gambar 4.3 pengontrol gelombang penuh 1 fasa


Vs=Vmsinωt

(4.9)

¿√Vssinωt

Delay angel T1 dan T2 -- α1 = α2 = α

Rms output Voltage,

V0=(2π [∫απ2Vs2sin

2ωt.d (ωt)])1 /2

¿(4Vs2

4π [∫απ

(1−cos2ωt).d (ωt )])1/2

(4.10)

¿Vs[ 1π (π−α+sin2α

2 )]1/2

Arus Beban rms,

Io (rms )=Vo(rms)

R(4.11)

VA = Vs.Is

Po=Io2.RWatt

Faktor Daya Input, PF

PF=Po

VA=V0

Vs=[ 1π (π−α+

sin2α2 )]

1 /2

(4.12)

Arus rata-rata Thyristor,

IA=1

2πR∫o

π

√2Vssinωt.d (ωt )

¿ √2Vs

2πRcos(α+1)

(4.13)

Arus rms thyristor,

IR=( 12πR2 [∫α

π2Vs2sin2ωt.d (ωt) ])

1/2

¿ [ 2V2

4πR2∫α

π(1−cos2ωt).d (ωt)]

1 /2

(4.14)

¿Vs

√2R [ 1π (π−α+sin2α

2 ) ]1/2

Contoh 4.3 :

Sebuah single phase full wave AC Voltage Controller dengan

beban resitif R=10 Ohm, tegangan input rms 120 V 60 Hz, delay

angel T1,T2 α1, α2, α=π/2. Hitungla :

a. Rms output voltage Vo

b. Input Power Factor, PF

c. Average Current Thyristor, IA

d. Rms current of thyristor, IR

Jawab :

Diketahui :

Vs = 120Volt, F=60Hz

R = 10Ohm

α = π/2

Ditanyakan :

a. Vo (rms) = ……..?

b. PF = ……..?

c. IA = ……..?

d. IR = ……..?

Penyelesaian :

a. Rms output Voltage,

Vo (rms )=120√2

=84,85Volt

b. Rms load current,

Io (rms )=Vo(rms)

R=84,8510

=8,485Ampere

VA=Vs.Is=120x8,485=1018,2VAPo=Io

2.R=(8,485)2.10=719,95Watt

PF=Po

VA=Vo

Vs=[1π (π−α+

sin2α2 )]

1 /2

¿ 719,951018,2=0,707lagging

c. Average Thyristor Current,

IA=1

2πR∫α

π

√2Vssinωt.d (ωt )

¿ √2Vs2πR

cos(α−1)

¿ √2x1202π.10

=5,7A

d. Rms Thyristor Current,

IR=( 12πR2 [∫α

π2Vs2sin2ωt.d (ωt) ])

1/2

¿(2Vs2

4πR2∫α

π(1−cos2ωt ).d (ωt))

1 /2

¿Vs

√2R [ 1π (π−α+sin2α

2 ) ]1/2

¿ 1202x10

=6A

4.5 Pengontrol satu fasa dengan beban Induktif

Telah diuraikan pengontrol satu fasa dengan beban resistif

pada bagian 4.4 pada prakteknya, hamper semua beban adalah

bersifat induktif. Pengontrol gelombang dengan beban RL

ditunjukkan pada gambar 4.4(a). Kita asumsikan bahwa Thyristor

T1 Firing pada waktu setengah siklus positif dan membawa arus

beban. Karena induktansi pada rangkaian, arus thyristor T1

tidak akan menuju nol pada t=π, ketika tegangan masukan mulai

menjadi negative, Thyristor T1 akan terus terhubung sampai

arus i1 jatuh menjadi nol pada t=β. Sudut konduksi thyristor

T1 adalah δ=β−α dan tergantung pada sudut tunda α dan sudutfactor daya beban θ. Bentuk gelombang dan pulsa-pulsa gerbangdiperlihatkan pada gambar 4.4(b).

Sinyal-sinyal gerbang thyristor dapat berupa pulsa-pulsa

pendek untuk pengontrol dengan beban resitif. Namun demikian

pulsa-pulsa pendek tersebut tidak cocok untuk beban induktif.

Sebagaimana diperlihatkan pada gambar 4.4(b). Ketika thyristor

T2 firing pada ωt=π+α, thyristor T1 masih terhubung karena

beban induksi. Pada saat arus thyristor T1 jatuh menjadi nol

dan T1 menjadi off pada ωt=β=a+δ, pulsa gerbang thyristor T2

telah berhenti dan mengakibatkan T2 tidak menjadi On. Hasilnya

hanya thyristor T1 akan beroperasi, yang mengakibatkan

gelombang tidak simetris pada arus dan tegangan keluaran.

Kesulitan ini dapat diatas dengan menggunakan sinyal-sinyal

gerbang yang kontinyu dengan masa durasi (π-α) seperti pada

gambar 4.4(c). Namun demikian,pulsa gerbang yang kontinyu akan

menyebabkan meningkatnya rugi saklar thyristor dan memerlukan

trafo isolasi yang lebih besar untuk rangkaian

gerbang.Biasanya digunakan pulsa-pulsa dengan durasi pendek

untuk mengatasi masalah ini seperti gambar 4.4(d).

Gambar rangkaian 4.4 pengontrol gelombang penuh 1 fasa bebanRL


Vs= VL + VR

¿L didt+R.i1 (t )=√2Vssinωt (4.15)

i1=√2Vs

Z.sin (ωt−θ)+A1e−tR /L (4.16)

Z=[R2+(ω )2 ]1/2,ωt=α,i1=0 (4.17)

A1=−√2Vs

Z .sin (ωt−θ ).e(RL )(

aw )

(4.18)

i1=√2Vs

Z[sin (ωt−θ)−sin (α−θ ).e

(RL

)(aw−t)] (4.19)

Sudut β,Saat i1 ke zero dan T1 ke off,didapat i1 (ωt=β )=0,

sin (ωt−θ ).e(RL)(α−

βω)

Dimana β=extending angel

V0 (rms )=( 22π [∫α

β2VS

2sin2ωt.d(ωt)])1 /2

¿¿¿ (4.20)

Vs=[ 1π (β−α+sin2β

2 )]1 /4

Arus rms thyristor,

IR=( 12π [∫α

βi12.d(ωt)])

1/2

¿Vs

Z¿¿ (4.21)

¿Vs

√2R¿¿

I0 (rms )=(IR2+IR2 )=√2.IR

(4.22)

Arus rata-rata thyristor,

IA=12π∫α

β

i.d(ωt)

¿ √2Vs

2πZ ∫α

β [sin (ωt)−sin (α−β )e(RL)( aw−t)]d.(ωt)

(4.23)

Catatan :

1. α=0,makasin (β−θ )=sin (β−α )=0;β−α=δ=π

2.θ<α<πBAB V

KONVERTER DC/DC (Chopper)

5.1 PENDAHULUAN

Pada banyak aplikasi industry, diperlukan untuk

mengubah sumber tegangan dc tetap menjadi sumber tegangan dc

yang bersifat variable. DC Chopper mengubah secara lansung

dari dc ke dc dan biasanya hal ini biasa disebut disebut

converter dc ke dc.Chopper dapat disebut sebagai dc, sama

dengan trafo ac dengan mengsuplai tegangan yang variable

secara terus menerus. Seperti trafo, chopper dapat digunakan

untuk menaikkan dan menurunkan sumber tegangan dc.

DC Chopper merupakan rangkaian yang mengkonversi input

DC yang tidak dikontrol ke output DC yang dikontrol dengan

tingkat tegangan yang diinginkan.Ada dua macam cara pengolahan

daya : tipe linier dan tipe peralihan(Switching).Tergantung

dari jenis aplikasinya, masing-masing tipe memiliki kelebihan

dan kekurangan.

Namun dalam perkembangannya, tipe peralihan Nampak

semakin terlihat kepopulerannya terutama karena kelebihannya

dalam mengubah daya secara jauh ebih efisien dan pemakaian

komponen ukurannya lebih kecil. Pengubah daya DC-DC (DC-DC

Converter) tipe peralihan dikenal juga dengan sebutan DC

Chopper.

DC Chopper dimamfaatkan terutama untuk penyediaan

tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan

permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut

adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki

tegangan masukan yang tetap.

Pada dasarnya, penghasilan tegangan keluaran DC yang

ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu

penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada

rangkaian yang sama.Komponen yang digunakan untuk menjalankan

fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah swith (Solid

State electronic switch) seperti misalnya

Thyristor,MOSFET,IGBT,GTO.

Chopper secara luas digunakan untuk mengkontrol

perputaran motor traksi pada automobile elektrik, mobil

trolley,kapal pengangkut, truk forklift dan lain-lain. Chopper

menghasilkan putaran yang baik, efisiensi yang tinggi dan

respons dinamik yang tepat.

Selain itu dapat pula digunakan untuk pengereman

regenerative pada motor-motor DC untuk mengembalikan energy

pada sumber, dan hal ini menghasilkan adanya penghematan

energy transportasi dengan adanya penghentian yang sering

dilakukan. Chopper digunakan pada regulator tegangan dc dan

juga digunakan pada penghubung dengan inductor,untuk

membangkitkan sumber arus dc,terutama untuk pembalik arus.

Secara umum ada dua fungsi pengoperasian dari DC

Chopper yaitu penaikan tegangan (step-up)dimana tegangan

keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan,

dan penurunan tegangan(step-down) dimana tegangan keluaran

lebih rendah dari tegangan masukan.

5.2 PRINSIP KERJA DC CHOPPER

DC Chopper mempunyai Prinsip kerja diantara lain :

a. Prinsip kerja step-Down

Prinsip kerja step down dapat dijelaskan melalui gambar

5.1(a).Ketika saklar SW ditutup selama waktu t1,tegangan

masukan Vs muncul melalui beban.Bila saklar tetap off

selama waktu t2, tegangan melalui beban dan arus beban

juga ditunjukkan pada gambar 5.1(b)

Tegangan keluaran rata-rata diberikan oleh :

Vo=1T∫

0

t1Vodt=

t1

TVs=ftVs=kVs (5.1)

Dan arus beban rata-rata,

Ia=Va

R=kVs/R (5.2)

Dengan T adalah periode chopping, k=t1/T adalah duty cycle

chopper, dan f adalah frekuensi chopping. Nilai rms tegangan

keluaran ditentukan dari :

V0 (rms )=(1T [∫0kTvo2.dt])

1/2

(5.3)

¿√kVs

Pi=1T∫0

kTvo2.dt=

1T∫0

kT.Vo2

Rdt=k

Vs2

R(5.4)

Gambar 5.1 Chopper Step-down dengan beban resistif

Dengan mengasumsikan bahwa tidak ada rugi-rugi pada

chopper maka daya masukan pada chopper sama dengan daya yang

diberikan dengan, resistansi masukan efektif yang dilihat dari

sumber adalah :

R1=Vs

Iα=

Vs

kVs/R=Rk

(5.5)

Duty cycle k dapat divariasikan dari 0 sampai 1 dengan

bervariasi menurut t1, T dan f. Maka tegangan keluaran V0 dapat

divariasikan dari 0 sampai Vs dengan mengatur k, dan aliran

daya dapat diatur melalui :

1. Operasi pada frekuensi konstan.

Frekuensi chopping f(atau periode chopping T) dijaga tetap

dan waktu on t1 divariasikan. Lebar pulsa bervariasi dan

control jenis ini dikenal dengan nama control pulse-width-

modulation(PWM).

2. Operasi Pada frekuensi yang variable

Frekuensi chopping f bervariasi. Pada waktu on t1 atau pada

waktu off t2 dijaga tetap. Ini disebut modulasi

frekuensi.Frekuensi divariasikan untuk batasan yang lebar

untuk mendapatkan batasan tegangan keluaran yang penug.Kontrol

jenis ini membangkitkan harmonisa pada frekuensi yang tidak

bias ditentukan sehingga akan sangat sulit untuk merancang

filter.

Contoh 5.1 :

Chopper dc gambar diatas (Gambar 5.1), dengan nilai tahanan

R=10 Ohm, dan Vs=220V, Voltage drop 2V,Frekuensi chopping f=1

kHz, duty cycle 50%. Hitung :

a. Tegangan output rata-rata

b. Tegangan rms output

c. Efesiensi

d. Tahanan input efektif

e. Harga rms dari komponen fundamental dari teganga harmonic

keluaran

Jawab :

Diketahui :

R= 10 Ohm, Vs=220 V, Voltage drop=Vch 2 V, frekuensi

chopping

F= 1 kHz, Duty Cycle=k=50%=0,5

Dintanyakan :

a. V0 = ……….?

b. V0(rms) = ……….?

c. N = ……….?

d. Ri = ……….?

e. V0(t) = ……….?

Penyelesaian :

a. V0=kVs=(0,5 ). (220−2 )=109V

b. V0 (rms )=√kVs=¿

c. Daya Keluaran :

P0=1T∫0

kT.Vo2

Rdt=¿∫

0

kT.

(Vs−Vch)1 /2

Rdt=k

Vs−Vch

R¿

¿0,5 220−210

=2376,2Watt

Daya masukkan :

P1=1T∫0

kTVs.idt=∫

0

kT.Vs (Vs−Vch)

R dt=k Vs (Vs−Vch )R

¿0,5 (220 ).(220−2)

10=2398Watt

n=P0P1

=2376,22398

x100%=99,09%

d. Ri=Vs

Ia=

Vs

(k.V)2=Rk

= 100,5

=20Ohm=Ra

e. V0 (t )=kVs+Vs

n.π∑n=1

∞sin2nπkcos2nπft+

Vs

n.π∑n=1

∞¿¿¿¿¿

n=1,

V1 (t )=Vs

π¿

¿ 220−2π [sin (2π.1000t)]=140,06sin (6283,2t)

¿140,06

√2=99,04V

b. Prinsip kerja step-up

Chopper dapat digunaka untuk menaikkan tegangan

dc.susunan kerja untuk operasi step-up ditunjukkan pada

gambar. Bila saklar dibuka selama waktu t2, energy yang

tersimpan pada inductor akan dipindahkan kebeban melalui

diode D1 dan arus inductor menjadi jatuh. Dengan asumsi

bahwa arus yang mengalir adalah tetap, bentuk gelombang

untuk inductor ditunjukkan pada gambar 5.2.

Gambar 5.2 susunan kerja untuk operasi step-up

Bila chopper di On-kan, tegangan yang melalui inductor adalah ;

VL=Ldidt (5.6)

Dan ini memberika arus ripple puncak pada inductor,

∆I=VsLt1 (5.7)

Tegangan keluaran instantaneous adalah :

V0=Vs+L∆It2

=Vs(1+t1t2 )=Vs

11−k

(5.8)

Bila sebuah kapasitor CL dihubungkan dengan beban seperti

terlihat pada garis putus-putus pada gambar 5.3, Tegangan

keluaran akan tetap dan V0 akan menjadi nilai rata-rata Va.

Instantaneous bahwa tegangan yang melalui beban dapat

dinaikkan dengan memvariasikan duty cycle, k dan tegangan

keluaran minimum adalah Vs bila k=0.

Namun demikian chopper tidak dapat On terus- menerus

shingga k=1. Untuk nilai k yang cenderung menuju satu,

tegangan keluaran menjadi sangat besar dan sangat sensitive

untuk mengubah nilai k, seperti terlihat pada gambar 5.3(a).

Prinsip ini dapat diaplikasikan untuk memindahkan energy

dari satu sumber tegangan ke lainnya seperti terlihat pada

gambar 5.3(a). Rangkaian ekivalen untuk mode-mode operasi

ditunjukkan pada gmabar 3.11(c). Arus inductor untuk mode I

diberikan sebagai berikut.

Vs=Ldi1

dt(5.9)

Dan dinyatakan sebagai,

I1 (t )=Vs

Lt+I1 (5.10)

Gambar 5.3 susunan gelombang arus

Dimana i1 adalah arus mula untuk mode 1. Selama mode 1, arus

harus menungkat dan kondisi yang penting adalah,

didt

>0Untuk Vs>0

Arus untuk mode 2 diberikan sebagai berikut,

Vs=Ldi2

dt+E (5.11)

Dan penyelesaian adalah ;

i2 (t )=Vs−EL

t+I2 (5.12)

Dengan I2 adalah arus mula untuk mode 2. Untuk system yang

stabil, arus harus turun dan kondisi yang memenuhi adalah;

di2dt

<0danVs<E

Bila kondisi ini tidak memenuhi, arus inductor akan tetap

naik dan akan menjadi tidak stabil. Maka, kondisi untuk

pemindahan daya yang terkontrol adalah :

0<Vs<E

Persamaan (5.12) menyatakan bahwa sumber tegangan Vs,

Harus lebih kecil dari tegangan E agar transfer daya dari

sumber yang tetap (atau Variable) ketegangan DC tetap bias

dilakukan, pada pengereman elektris motor-motor dc, dengan

motor-motor bekerja sebagai generator dc, tegangan terminalnya

akan jatuh bila kecepatan mesin berkurang. Chopper dapat

memindahkan daya kesumber dc tetap atau rheostat.

Bila chopper di-on-kan, energy akan dipindahkan dari

sumber Vs ke inductor L. dan bila chopper di-off-kan sejumlah

energy yang tersimpan pada inductor akan dipindahkan ke

baterai E.

5.3 RANCANGAN RANGKAIAN CHOPPER

Yang paling diharapkan untuk rancangan ragkaian komtasi

adalah mendapat sesuatu yang memuaskan waktu turn-off untuk

mensaklar thyristor utama ke-off. Analisis-analisis dari

bentuk persamaan untuk chopper klasik, memperlihatkan bahwa

waktu turn-off tergantung pada tegangan kapasitor komutasi Vc.

Adalah sangatlah lebih sederhana merancang rangkaian

komutasi bila induktansi sumber dapat diabaikan atau arus

beban tidak tinggi, tetapi dikasus arus beban lebih tinggi

induktansi kesasar yang selalu muncul dalam praktek.

Induktansi sumber membuat persoalan rancangan non-linier dan

metode interactive diharapkan menghitung komponen komutasi

dari piranti daya tergantung pada induktansi seumber dan arus

beban.

Tidak ada aturan yang tetap untuk merancang rangkaian

chopper dan berbagai rancangan dengan tipe rangkaian yang

terpakai. Perancangan memiliki batasan-batasan luas dari

pilihan dan nilai komponen Lm, C. komponen dipengaruhi oleh

tegangan puncak dan tegangan yang diizinkan. Batas-batas

tegangan dan arus komponen Lm,C dan piranti memberikan batasan

maksimum.

Langkah-langkah dalam perancangan :

1. Identifikasi tipe-tipe operasi untuk rangkaian chopper.

2. Hitung rangkaian equivalen sesuai tipe.

3. Hitung arus dan tegangan sesuai tipe dan bentuk

gelombangnya.

4. Evaluasi nilai komponen komutasi Lm, C yang cocok

dengan batas rancangan.

5. Hitung batas tegangan dan arus dari komponen dan

piranti.

Kita dapat mencatat bahwa tegangan keluaran berisi harmonic-

harmonik, sehingga filter tipe C, tipe L dan LC bias

dihubungkan ke output yang diharapkan untuk mengurangi

keluaran harmonic.

Sebuah chopper dengan beban induktif yang tinggi seperti

ditunjukkan pada gambar 5.4. arus beban ripple diabaikan(∆I=0¿

. Bila arus beban rata-rata adalah Ia , arus beban puncak

adalah

inh (t )=kIa+Ianπ∑

n=1

∞sin2πk.cos2nπft+¿

Ianπ∑

n=1

∞(1−cos2πfk¿)sin2nπf ¿¿

(5.13)

Komponen fundamental (n=1), arus harmonis yang

dibangkitkan chopper pada bagian masukan diberikan,

iIh (t )=Iaπsin2πk.cos2πft+

Ia

π(1−cos2πk )sin2πft

(5.14)

Nilai Harmonis ke-n pada sumber dapat dihitung,

ins (t )= 11+(2πf)2LeCe

Inh=1

1+(nff0

)2

(5.15)

Gambar 5.4 bentuk gelobang arus masukan chopper

Dimana f adalah frekuensi chopper dan f0=1 /(2π√LeCe) adalahfrekuensi resosinansi system. Bila (f/f0) >>1, yang merupakan

kasus umum, arus hermonis ke-n pada sumber menjadi,

Ins=Inh( f0

nf ) (5.16)

Frekuensi chopping yang tinggi mengurangi jumlah elemen

filter masukan. Namun frekuensi harmonis yang dibangkitkan

oleh chopper pada sumber line juga meningkat, hal ini dapat

menyebabkan masalah interfensi terhadap sinyal control dan

komunikasi.

Gambar 5.5 Chopper dengan filter masukan

Gambar 5.6 rangkaian pengganti untuk arus harmonik

Contoh 5.2 :

Diinginkan merancang chopper komutasi impulse seperti

gambar rangkaian berikut (gambar 5.7), dioperasikan dengan

sumber tegangan Vs=220V dan arus beban puncak Im=440A. tegangan

keluaran minimum harus harus lebih kecil 5% Vs dan arus

resonansi puncak dibatasi menjadi 80% Im . waktu turn-off

diingkan Ioff = 25 μs dan induktansi sumber L=4μH. Hitunglah :a. Nilai komponen LmC

b. Frekuensi chopping maksimum yang diinginkan

c. Rating semua komponen dan divais asumsikan bahwa arus

ripple diabaikan.

d. Gambar 5.7 Chopper tiga thyristor impuls-commutated

Gambar 5.7 Chopper tiga thyristor impuls-commutated

Jawab :

Diketahui :

Vs = 220 V

Im = 440 A

Ioff = 25μsVo(min) = 0,05 x 220 = 11 V

L = 4μHDitanyakan :

a. LmC = ……?

b. Fchopping = ……?

c. Rating Komponen = ……?

Penyelesaian :

a. Waktu turn-off adalah :

toff=Vs.CIm

=(Vs+Im√Ls

C )CI=Vs.CIm

+√LC

Atau

(toff−Vs.CIm )

2

=t2off+( Vs.CIm )

2

−2V2.Ctoff

Im=LsC

Dengan mengsubtitusikan nilai : 25C2 – 29C + 625 = 0

didapatkan C=87,4 μF atau 28,6μF. Pilih nilai C terkecil yaitu28,6μF dibulatkan 30μF.

b. Tegangan lebih adalah ∆ V=440√ 430

=160V

Tegangan Kapasitor adalah Vc=Vs=220+160=380Volt

Arus resonansi puncak adalah :

Ip=380√30Lm=0.8x440=352

Atau Lm = 34,96 μHMisalkan nilai Lm = 35μH dan arus balik

tr=π√35x30=101,8μS,waktuturn−offmenjadi

toff=380x( 30440 )=25,9μsdandiperolehnilaitd=220x( 30440)=15μsdanwaktukomutasitc=25,9+15=40,9μs.

Frekuensi chopping dapat ditentukan melalui kondisi

tegangan minimum sebagai berikut :

¿∨¿f [(220x110,8 )+ (0,5x40,9)x (380+220 )x10−6 ]atauf=317Hz

Gambar 5.8 bentuk gelombang contoh 5.2

C. Penentuan rating peralatan dan piranti :

T1 : Arus rata-rata Iav = 440 A ( asumsi duty cycle k=1)

Arus puncak Ip = 440 + (0,8x 3340)=792 A

Arus rms maksimum karena beban Irms = 440 A

Arus rms karena resonansi balik.

BAB VI

DC/AC KONVERTER ( INVERTER )

6.1 PENDAHULUAN

Konverter DC/AC dikenal sebagai INVERTER. Fungsi suatu

inverter adalah merubah tegangan input DC ketegangan output AC

yang simetris dengan besar frekuensi tertentu. Tegangan

keluaran dapat berbentuk tetap atau variable dan pada

frekuensi tetap ataupun variable.

Inverter sebagain luas penggunaannya dalam industry :

Variabel Speed AC Motor Drives

Inducting Heating

Standby Power Supplies

Uninterrupted Power Supplies

Ballast Elektronik

Microwave Heating

Static VAR Generators

FACTS (Flexible AC Transmission System)

Filter Daya Aktif

Penyearah

Input Inverter bias berupa : baterei, fuell-cell dan sumber DC

lainnya.

Tipe keluaran :

1 fasa :

120 Volt, 60 Hz,

115 Volt, 400 Hz,

220 Volt, 50 Hz

3 fasa :

220/380 Volt, 50 Hz,

115/200 Volt, 400 Hz

120/208 Volt, 60 Hz

Inverter dapat diklasifikasikan ke dalam 2 tipe yaitu :

1. Inverter satu fasa

2. Inverter tiga fasa

Setiap tipe dibagi atas 4 kategori :

a. Pulse width modulation (PWM) inverter

b. Resonant inverter

c. Auxiliary commutated inverter

d. Complementary commutated inverter

Inverter dengan tegangan input tetap disebut Voltage-Fed

Inverter (VFI)

Inverter dengan arus input tetap disebut Current-Fed Inverter

(CFI)

Inverter dengan tegangan input terkontrol disebut Variable

DC Linked Inverter

6.2 PRINSIP KERJA INVERTER

Suatu inverter memiliki prinsip dasar yaitu mengkonversi

system arus searah ke system arus bolak-balik. Prinsip kerja

inverter seperti pada gambar 6.1(a) dimana terdiri dari 2

choppers. Bila hanya transistor Q1 menyala ON pada saat waktu

T0/2 maka tegangan instantenaous yang lewat dibeban Vo adalah

Vs/2. Bila transistor Q2 menyala ON pada saat waktu T0/2 maka

nilai – Vs/2 akan lewat beban. Maka rangkaian logikanya dapat

dirancang sesuai dengan Q1 dan Q2 tidak boleh dinyalakan ON

bersamaan waktu. Seperti pada gambar dengan beban R.

Tegangan beban V0 = Vs/2

Tegangan output rms :

Vo=[2¿ ∫0¿/2 Vs2

4.dt]

1/2

=Vs2

(6.1)

Tegangan output instantaneous dengan analisa fourir :

Vo= ∑n=1,3,5,..

∞ 2Vsnπ

sinωt (6.2)

Dimana ω = 2πf0

Untuk n = 1 → V1=2Vs√2π

=0,45Vs (6.3)

Transistor dapat diganti dengan GTO atau forced commutated thyristor

Gambar 6.1 Inverter Jembatan Setengah (Half-Bridge) satu fasa

6.3 PENAMPILAN PARAMETER INVERTER

Keluaran suatu inverter dalam prakteknya berisi harmonic-

harmonik, sehingga parameter unjuk kerja (Performance parameters)

suatu inverter adalah :

1. Harmonic factor (Faktor Harmonisa) HF, perbandingan komponen

tegangan pada harmonisa ke n dengan komponen dasar

tegangan.

2. Total Harmonic Distortion (THD) mengukur kedekatan bentuk

gelombang output terhadap bentuk komponen dasar.

3. Distortion Factor (DF) ukuran tingkat keefektifan dalam

menghilangkan harmonisa.

4. Lowest-Order Harmonisa (LOH), tingkat harmonisa terrendah yang

frekuensi terdekat ke frekuensi dasar dan amplitudonya

lebih besar atau sama dengan 3% dari komponen dasarnya.

Harmonic factor (HF) :

HFn= VnV1 (6.4)

Total harmonic distortion (THD) :

THD=1V1 ( ∑

n=1,2,3..

∞Vn2)

1 /2

(6.5)

Distortion Factor (DF) :

DF= 1V1 [ ∑

n=1,2,3..

∞

(Vnn2 )2]1 /2

(6.6)

DFn= VnV1n2 faktor didistorsi ke -n

Contoh 6.1 :

Sebuah inverter setengah jembatan (half-bridge) satu fasa

seperti Gambar 6.1 mempunyai beban resitif R = 2.4 Ω dan

tegangan input dc Vs = 48 volt, hitunglah :

a. Tegangan keluaran rms pada frekuensi fundamental (V1).

b. Daya keluaran inverter (P0).

c. Arus puncak dan arus rata-rata setiap transistor.

d. Tegangan puncak balik setiap transistor.

e. Total distorsi harmonic (THD).

f. Factor distorsi (DF).

g. Factor harmonic dan factor distorsi pada harmonic order

paling rendah.

Jawab :

Diketahui : R = 2.4 Ω

Vs = 48 V

Ditanyakan :

a. V1 = …..?

b. P0 = …..?

c. Ip = ……? Dan ID = ……? Setiap transistor.

d. VB = ……?

e. THD = …….?

f. DF = ……..?

g. Faktor harmonic dan factor distorsi pada harmonic order

paling rendah, V3 = ……?

Penyelesaian :

a. Dari persamaan (6.3),

V1=2Vs√2π

=0,45Vs=0.45. (48 )=21.6V

b. Dari persamaan (6.1),

Vo=Vs2

=482

=24V

Po= Vo2

R =2422.4=240W

c. Ip= VoR

=242.4

=10A

Karena setiap transistor membagi arus 50 % selama siklus

konduksi, maka arus rata-rata tiap transistor ID = 0.5 x

10 = 5 A

d. Arus balik puncak transistor VB = 2 x V0 = 2 x 24 = 48 V

e. Dari persamaan (6.5)

THD=1V1

( ∑n=1,2,3..

∞Vn2)

1/2

Dengan,

( ∑n=1,2,3..

∞Vn2)

1 /2

=(Vo2−V12)1 /2

=0.2176Vs

THD=0.2176Vs0,45Vs

=48.34 %

f. Dari persamaan (6.6)

DF= 1V1 [ ∑

n=1,2,3..

∞

(Vnn2 )2]1 /2

Dimana,

[ ∑n=1,2,3..

∞

(Vnn2 )2]1/2

=[( V3

3 )2

+(V5

5 )2

+(V7

7 )2

+…]1 /2

=0.01712Vs

DF=0.01712Vs0.45Vs

=3.804%

g. Faktor harmonic dan factor distorsi pada harmonic order

paling rendah, V3 = V1/3, HF3 = 1/3 = 33,33 % dan DF3 =

1/27= 3.704%

6.4 INVERTER JEMBATAN SATU FASA

Suatu inverter jembatan satu fasa seperti pada Gambar

6.2(a), terdiri dari 4 chopper. Bila Q1 dan Q2 ON bersamaan, Vs

muncul lewat beban, bila Q3 dan Q4 ON bersamaan, tegangan lewat

beban di reverse sebesar –Vs, perhatikan gelombangnya maka

tegangan output rms :

Vo (rms )=[2T∫0¿/2

Vs2.dt]

1 /2

=Vs (6.7)

Bila D1 dan D2 konduksi, energy kembali kesumber dc dan

dikenal sebagai feedback diodes. Gambar 6.2(c) diperlihatkan

bentuk gelombang dari arus beban untuk beban induktif.

Tegangan intantanaous dalam bentuk fourier :

Vo= ∑n=1,2,3..

∞ 4Vs

nπsinnωt (6.8)

Untuk n = 1, tegangan komponen fundamental V1 :

V1=4Vs

√2π=0,90Vs (6.9)

Gambar 6.2 Inverter Jembatan penuh satu fasa

a. Rangkaian

b. Bentuk Tegangan c. Bentuk Gelombang

Contoh 6.2 :

Ulangi contoh soal 6.1, untuk sebuah inverter jembatan penuh

(full-bridge) satu fasa seperti Gambar 6.2 (a).

Jawab :

Diketahui :

R = 2.4 Ω

Vs = 48 V

Ditanyakan :

a. V1 = ………?

b. Po = ………?

c. Ip = ……….? Dan ID = …….? Setiap transistor

d. VB = ………?

e. THD = …….?

f. DF = ……….?

g. Factor harmonic dan factor distorsi pada harmonic

order paling rendah, V3 = …….?

Penyelesaian :

a. Dari persamaan (6.9),

V1 = 0,9 Vs = 0.9 .(48) = 43.2 V


Vo = Vs = 48 V

Po=V2

o

R=4822.4

=960W

c. Ip=Vo

R= 482.4

=20A

Karena setiap transistor membagi arus 50 % selama siklus

konduksi, maka arus rata-rata tiap transistor ID = 0.5 x

20 = 10 A

d. Arus balik puncak transistor VB = 48 V

e. Dari persamaan (6.5),

THD=1V1

( ∑n=3,5,7..

∞Vn

2)1/.2

Dengan,

( ∑n=3,5,7..

∞Vn

2)1/2

=(Vo2−V1

2 )1/2=0.4352Vs

THD=0.4352Vs

0.9Vs=48.34%

f. Dari persamaan (6.6),

DF= 1V1 [ ∑

n=1,2,3..

∞ (Vn

n2 )2]1 /2

Dimana,

[ ∑n=1,2,3..

∞ (Vn

n2 )2]1 /2

=[(V3

3 )2

+( V5

5 )2

+(V7

7 )2

+…]1/2

=0.03424Vs

DF=0.03424Vs0.03424Vs

0.9Vs=3.804%

g. Factor harmonic dan factor distorsi pada harmonic order

paling rendah adalah harmonic ke-3, V3 = V1/3, HF3 = 1/3 =

33,33 % dan DF3 = 1/27 = 3.704 %

Catatan :

Tegangan puncak balik transistor dan kualitas tegangan untuk

inverter half-bridge dan full-bridge sama. Namun demikian

untuk inverter full-bridge dengan beban resitif, daya

outputnya empat kali lebih besar dan komponen fundamental dua

kali lebih dari inverter half-bridge.

6.5 INVERTER TIGA FASA

Inverter tiga fasa umumnya dipakai untuk penggunaan daya

tinggi. Inverter satu fasa penuh atau setengah dapat

dihubungkan parallel seperti Gambar 6.3.

Untuk beban delta-wye :

Untuk Beban Delta :

Tegangan phasa : tegangan line arus phasa diperoleh

secara langsung dari tegangan line to line, satu arus

phasa diketahui, arus line dapat dihitung.

Untuk Beban Wye :

Tegangan line dapat dihitung untuk arus line atau arus

phasa. Ada tiga mode untuk beban R tipe wye seperti gambar

6.5 (a)

Mode 1 ( 0 ≤ ωt ≤ π/3 ) :

Req = R + R/2 = 3R/2 (6.10)

i1=Vs

R=2Vs

3R(6.11)

Van=Vcn=i1R2

=Vs

3(6.12)

Vbn=−i1R=−2Vs3 (6.13)

Mode 2 ( π/3 ≤ ωt ≤ 2π/3 )Req = R + R/2 = 3R/2 (6.14)

i2=Vs

Req=2Vs

3R (6.15)

Van=i1R2

=Vs

3(6.16)

Vbn=−i2R=−2Vs3 (6.17)

Mode 3 ( 2π/3 ≤ ωt ≤ π )

Req = R + R/2 = 3R/2 (6.18)

i2=Vs

Req=2Vs

3R (6.19)

Van=Vbn=i3R2

=Vs

3(6.20)

Vbn=−i3R=−2Vs3 (6.21)

Gambar 6.5(b) dapat di ekspresikan ke dalam deret fourier

sebagai berikut :

Vab= ∑n=1,3,5..

∞ 4Vsnπ

cos nπ6sinn(ωt+

π6 ) (6.22)

Vbc= ∑n=1,3,5..

∞ 4Vsnπ

cos nπ6sinn(ωt−π

2 ) (6.23)

Vca= ∑n=1,3,5..

∞ 4Vsnπ

cos nπ6sinn(ωt−7π

6 ) (6.24)

Kita perhatikan persamaan (6.22), (6.23), (6.24) pada harmonic

kelipatan 3 ( n = 3, 9, 15…) diperoleh tegangan line-line sama

dengan nol, tegangan line-line rms, diperoleh :

VL=[ 22π ∫

0

2π/3

V2s.d(ωt)]1 /2

=√23 Vs=0.8165Vs (6.25)

Untuk n = 1 nilai rms komponen fundamental dari persamaan

(6.22) sebagai berikut :

Vl1 = 4Vscos30

0

2π=0.7797Vs (6.26)

Tegangan rms line-netral adalah :

Vp=Vl

√3 = √2Vs

√3=0.4714 (6.27)

Gambar 6.3 Inverter tiga fasa yang dibentuk dari tiga inverter

satu fasa

Gambar 6.4 Inverter Jembatan Tiga fasa

Gambar 6.5 Rangkaian ekuivalen hubungan wye

Contoh :

Suatu inverter tiga fasa seperti Gambar 6.4 mempunyai beban

resistif yang terhubung bintang (wye), R = 10 Ω, frekuensi

inverter 60 Hz dan tegangan input dc Vs = 220 V, a) uraikan

tegangan instantinous line to line, Vab (t) dan hitunglah b)

tegangan line rms VL, c) tegangan phasa rms, d) tegangan line

rms pada frekuensi fundamental, e) tegangan phasa rms pada

frekuensi fundamental, f) total distorsi harmonic, g) factor

distorsi, h) Faktor harmonic dan factor distorsi pada harmonic

order paling rendah, i) daya beban, P0, j) arus rata-rata

transistor dan arus rms transistor.

Jawab :

Diketahui :

R = 10 Ω

Vs = 220 V

f0 = 60 Hz

ω= 2.π x 60 = 337 rad/s

Ditanyakan :

a. Tegangan instantinous line to line, Vab (t) = …….?

b. V1 = ………?

c. Vp = ………?

d. VL1= ………?

e. Vp1= ………?

f. THD = …….?

g. DF = ……….?

h. Factor harmonic dan factor distorsi pada harmonic

order paling rendah, V5 = …….?

i. Po = ………?

j. ID = ………?

k. IR = ………?

Penyelesaian :

a. Tegangan instantinous line to line, Vab (t),

Vab (t) = 242.58 sin (377t + 30o) – 48.52 sin (377t + 30o)

-34.66 sin 7(377t + 30o) + 22.5 sin 11(377t + 30o)

+18.66 sin 13(377t + 30o) – 14.27 sin 17(377t + 30o) + ……

Tegangan phasa adalah Van (t )=Vab(t)

√3 dengan sudut delay

30o , sehingga arus phasa instantinous pada beban R = 10

ohm adalah,

Ia (t) = 14 sin(377t) – 2.801 sin 5(377t) – 2sin 7(377t)

11.273 sin 11(377t) + 1.007 sin 13(377t)…

0.824 sin 17(377t) +…


VL = 0.8165Vs = 0.8165.(220) = 179.63 V

c. Dari persamaan (6.27),

Vp = 0.4714Vs = 0.4714.(220) = 103.7 V

d. Dari persamaan (6.26),

VL1 = 0.7797 Vs = 0.7797.(220) = 171.53 V

e. Vpl=VL1

√3=99.03V

f. Dari persamaan (6.26)

VL1 = 0.7797 Vs

( ∑n=5,7,11

∞Vn

2)1 /2

=(VL2−V1

2)1/2=0.2423Vs

THD=0.24236Vs0.7797Vs

=31.08%

g. [ ∑n=5,7,11…

∞ ( Vn

n2 )2]1/2

=[(V5

5 )2

+(V7

7 )2

+(V11

11 )2

+…]1/2

=0.00668Vs

DF=0.00668Vs0.7797Vs

=3.857%

h. Faktor harmonic dan factor distorsi pada harmonic order

paling rendah adalah harmonic ke 5, sehingga VL5 = VL1 / 5,

HF5 = 1/5 = 20% dan DF5 = 1/125 = 0.8%

i. Untuk beban yang terhubung wye arus saluran sama dengan

arus phasa dan arus line rms IL = Vp/10 = 103.7/10 = 10.37 A,

sehingga,

Po = 3.Vp.Ip = 3.(103.9).(10.37) = 3226.4 W

j. Ip=PoVs

=3226.4220

=14.67A

ID = 14.67/3 = 4.89 A

k. IR= IL√2

=10.37

√2=7.33A

6.6PENGENDALI TEGANGAN PADA INVERTER SATU FASA

Pada kebanyakan aplikasi industry, selalu diinginkan

untuk mengontrol tegangan keluaran dari inverter dengan maksud

:

1. Untuk mengatasi variasi tegangan input dc

2. Untuk regulasi tegangan inverter

3. Untuk tegangan dan frekuensi tetap

Ada beragam teknik untuk variasi keluaran inverter, namun

secara umum teknik yang digunakan adalah sebagai berikut :

1. Single pulse modulation

2. Multi pulse width modulation

3. Sinusoidal pulse width modulation

4. Modified sinusoidal pulse width modulation

5. Phase displacement control

6.6.1 Single Pulse Widht Modulation

Pada Single Pulse Widht Modulation hanya ada satu pulsa

persetengah siklus dan lebar pulsa divariasi untuk mengontrol

keluaran inverter. Gambar 6.6 diperhatikan bentuk gelombang

sinyal gerbang dan tegangan keluaran dari inverter jembatan

penuh satu fasa. Sinyal-sinyal gerbang secara umum

dibandingkan antara sinyal referensi (bentuk rectangular) pada

amplitude Ar, dengan sinyal pembawa (bentuk triangular) pada

amplitude Ac, Perbandingan antara AR dan AC adalah variable

control yang dikenal sebagai indeks modulasi (modulation

index/M).

M=Ar

Ac(6.28)

Tegangan output rms,

Vo=[ 22π ∫(π−δ)/2

(π+δ)/2

V2s.d(ωt)]

1 /2

=Vs√ δπ (6.29)

Tegangan output dalam deret fourier ,

Vo (t )= ∑n=1,3,5..

∞ 4Vs

nπsin nδ

2sinωt (6.30)

Gambar 6.6 Single Pulse Widht Modulation

6.6.2 Multi Pulse Widht Modulation

Keberadaan harmonic dapat direduksi dengan menggunakan

beberapa pulsa disetiap setengah siklus dari tegangan

keluaran. Secara umum sinyal gerbang untuk turn on dan turn off

ditunjukkan pada gambar 6.7(a). Tipe modulaasi ini juga

disebut Uniform Pulse Widht Modulation (UPWM). Jumlah pulsa per

setengah siklus dihitung :

N=fc

2fo(6.31)

Dengan fc adalah frekuensi carier / pembawa, fo adalah frekuensi

output dan N adalah jumlah pulsa per setengah siklus.

Variasi indeks modulasi M dari 0 sampai 1, variasi lebar pulsa

dari 0 sampai π/p dan tegangan keluaran dari 0 sampai Vs. Bentuk

tegangan keluaran dari Single Pulse Widht Modulation

ditunjukkan pada Gambar 6.7(b)

Jika δ adalah lebar setiap pulsa, maka tegangan-tegangan

keluaran :

Vo=[2p2π ∫(πp−δ)/2

(πp+δ )/2

V2s.d(ωt)]1/2

=Vs√pδπ (6.32)

Tegangan keluaran dalam deret fourier.

Vo (t )= ∑n=1,3,5…

∞

(Ancosnωt+Bnsinnωt) (6.33)

Gambar 6.7 Multiple Pulse Widht Modulation

Dengan koefisien,

An= ∑m=1…

p 4Vs

nπsin nδ

2cos (am+δ /2 ) (6.34)

Bn= ∑m=1…

p 4Vs

nπsin nδ

2sin (am+δ /2 )

(6.35)

6.6.3 Sinusiodal Pulse Width Modulation

Tipe modulasi ini umumnya digunakan pada aplikasi

industry dan dikenal dengan singkatan SPWM. Kelebihan tipe ini

disbanding dengan Multiple Pulse Widht Modulation adalah

factor distorsi dan harmonic order rendah tereduksi secara

signifikan. Bentuk gelombangnya ditunjukkan pada gambar 6.8.

Gambar 6.8 sinusiodal pulse width modulation

Tegangan keluaran dapat divariasikan dari 0 sampai Vs dengan

variasi indeks modulasi M dari 0 sampai 1. Seperti persamaan

(6.33) dikembangkan, sehingga tegangan keluaran rms,

Vo= Vs(∑m=1

p δmπ )

1 /2

(6.36)

Tegangan keluaran dalam deret fourier,

Vo(t)= ∑n=1,3,5…

∞

(Ancosnωt+Bnsinnωt) (6.37)

Dengan koefisien,

An= ∑m=1…

p 4Vs

nπ [sin (am+δm )−sinnam ] (6.38)

Bn= ∑m=1…

p 4Vs

nπ¿ (6.39)

6.6.4 Modified Sinusioadal Pulse Width Modulation

Tipe modulasi ini dikenal sebagai MSPWM dan bentuk

gelombang ditunjukkan pada gambar 6.9. Tipe ini modifikasi

dari karakteristik gelombang sinus dengan teknik SPWM yang

mana gelombang carrier diaplikasikan 60o selama interval

stengah siklus. ( contoh 0 ke 60o dan 120o ke 180o). Jumlah

pulsa q pada periode 60o secara normal berhubungan dengan ratio

frekuensi, pada inverter tiga fasa dirumuskan :

fcfo

=6q+3 (6.40)

Gambar 6.9 Modified Pulse Width Modulation

6.6.5 Phase Displacement Control

Pengendali tegangan bias didapatkan dari penggunaan multi

inverter dan penjumlahan tegangan keluaran pada masing-masing

inverter. Inverter jembatan penuh satu fasa yang telah

diuraikan sebelumnya dapat dikatakan sebagai penggabungan dua

inverter setengah jembatan. Gambar 6.10, menunjukkan tegangan

keluaran dan sebuah pergeseran phasa 180o dengan sudut tunda β.

Tegangan keluaran rms dapat dinyatakan sebagai :

Gambar 6.10 Phase Displacement Control

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

360o

360o

360o180o

180o

180o

180o

Vao

180o 360o

360o

Vo=Vs√βπ (6.41)

Vao= ∑n=1,3,5…

∞ 2Vs

nπsinnωt (6.42)

Vbo= ∑n=1,3,5…

∞ 2Vs

nπsinn (ωt−β )

(6.43)

Tegangan keluaran sesaat,

Vab=Va0−Vb0= ∑n=1,3,5…

∞ 2Vs

nπ¿ (6.44) Vab= ∑

n=1,3,5…

∞ 4Vs

nπsin nβ

2cosn (ωt−β /2 )

(6.45)

Nilai rms tegangan fundamental,

V1=4Vs

√2sin β

2(6.46)

Persamaan (6.46) mengindikasikan bahwa tegangan keluaran

dapat divariasikan dengan mengatur sudut delay β. Tipe

pengendalian ini secara khusus digunakan untuk aplikasi daya

tinggi dengan sejumlah transistor atau thyristor besar disusun

paralel.

BAB VII

MULTI KONVERTER AC-DC

7.1 PENDAHULUAN

Multi converter merupakan gabungan dari converter AC-DC,

converter AC-AC, Konverter DC-DC, dan koverter DC-AC yang

memiliki fungsi sebagai sumber AC dan sumber DC. Dalam hal

pemakaian sangat tergantung setiap beban, apakah bersifat

beban DC

Multi-konverter adalah salah satu bagian penggunaan

elektronika-Daya yang berhubungan dengan penggunaan piranti-

piranti converter, terutama dalam pemamfaatan dalam industry

dengan kapasitas yang luas. Pada gamabar berikut gambar 7.1

adalah pola system gambaran tentang ruang lingkup pemamfaatan

Multi-Konverter pada beban tertentu, terutama pada beban

Industri.

Gambar 7.1 Ruang Lingkup Multi-Konverter

Aliran Daya

Penyearah

Regulator AC

DC - CHOPPER

Penyearah

DC ke DC AC ke AC

DC ke ACAC ke DC

~= ~

=

~=~=

7.2 RUANG LINGKUP MULTI-KONVERTER

Dari ke 4 konverter dasar tersebut, maka untuk memproses

menjadi multi-konverter ada beberapa kemungkinan yang bias

dirancang seperti berikut

1. Konverter AC-AC = Konverter AC-DC

2. Konverter AC-DC = Konverter DC-DC

3. Konverter DC-DC = Konverter DC-AC

4. Konverter AC-AC = Konverter AC-DC = Konverter DC-DC

5. KOnverter AC-AC = Konverter AC-DC = Konverter DC-DC

= Konverter DC-AC

Dari ke-4 modul multi-konverter tersebut dapat

menghasilkan karateristik yang memiliki kapasitas daya yang

sesuai dengan beban, maka gambaran umum untuk multi converter

dapat dilihat pada gambar 7.2 berikut.

Gambar 7.2 Multi Konverter Daya Listrik

~~

~=

==

=~

~ = = ~Motor AC Motor DC Motor DC Motor AC

Dengan Proses dan kombinasi dari converter dasar yang 4

tipe tersebut, bila dikombinasi untuk siklus konversi daya

listrik dan dengan untuk beban yang dibutuhkan dapat dilihat

pada sirkulasi koversi daya-listrik pada gambar 7.3

Keterangan :

1. Beban Motor AC

2. Beban Motor DC

3. Beban RLC

4. Beban Lampu

DC

AC

AC

AC

AC

DC

DC

DC

Gambar 7.3 Gambaran Umum Multi Konverter untuk siklus konversi

daya listrik

Contoh 7.1

Suatu Konverter AC-AC dikonversi dengan converter AC-DC.

Tegangan Input pada converter AC-AC adalah Vs=V¿sinωt,

dihubung dengan beban R pada converter AC-DC, dimana R=10 Ohm.

Hitunglah :

a. Tegangan output converter AC-AC

b. Tegangan Output Konverter AC-DC

c. Daya output

d. Gambar diagram gelombang

Tegangan Input pada converter AC-AC

Vs=Vmsinωt=√2Vssinωt

Bila mana memiliki duty-Cycle K=√ nm+n

I. Analisis :

a. Diketahui : R= 10 Ohm

Vs= 120v, 60Hz

M= 75 Cycle, n=25 cycles

AC

~ ~~ ~AC

AC

DC

R

b. Ditanyakan :

1. (Vo)rms

2. PF

3. Irms

II. Rencana : K= n(n+m)

,Vo=Vs√R=Vs√ nm+n

Po=Io2R,VA=VsxIs,PF=Po /VA

PF=Po/VAIII. Penyelesaian:

a. Diposisi converter AC-AC

(Vo )rms=Vs√K=Vs√ nn+m

=120√ 2575+25

=60

(Io )rms=(Vo )rms

R =6010

=6A

b. Po=Io2R=62x10=360W

Input Volt ampere = VA=VsIs=VsxIo=120x6=720W

PF=360720

=0,5(lag)

BAB VIII

ELEKTRONIKA DAYA DALAM POWER SUPPLY

8.1 PENDAHULUAN

Power supply banyak dipakai secara intensif di industry,

kebanyakan memiliki spesifikasi sebagai berikut :

1. Mengisolasi antara sumber dan beban

2. Muatan daya tinggi untuk mengurangi ukuran dan berat

3. Pengontrolan arah aliran daya

4. Efesiensi konversi tinggi

5. Gelombang input/output dengan distorsi harmonic rendah

untuk filter kecil

6. Mengontrol factor daya jika sumber tegangannya AC

Power supply dapat dikategorikan kedalam 2 (dua) tipe yaitu :

1. Power Supply DC

2. Power Supply AC

8.2 POWER SUPPLY DC

Berdasarkan jenis teknik konversi dan arah pengendalian

daya, power supply DC dibagi kedalam 3 (tiga) tipe yaitu :

1. Switched-mode DC power Supply

2. Resonant DC Power Supply

3. Bidirectional DC Power Supply

8.2.1 Switched-Mode DC Power Supply

Switched-mode DC power Supply dapat dibagi menjadi 4 (empat)

kategori yaitu :

1. Flyback converter dan flyback converter with reset

winding

2. Push-pull converter

3. Half bridge converter

4. Full-bridge converter

Persamaan untuk rangkaian flyback reset winding

Voc=Vs(1+NpNr ) (8.1)

ar=NrNp

=1−kk (8.2)

Dimana Np adalah jumlah belitan primer transformator, Np adalah

jumlah belitan reset dan ar adalah ratio belitan.

Gambar 8.1 Konfigurasi Switched-mode DC power Supply

Konfigurasi push-full sebagaimana pada 8.1(c). Ketika

transistor Q1 turned on Vs muncul lewat setengah di primer

trafo, ketika Q2 turned on Vs lewat setengah yang lain dari

transformator. Tegangan diprimer bergerak dari -Vs ke Vs. Arus

rata-rata transformator idealnya adalah nol.

Tegangan output rata-ratanya adalah,

Vo=V2=Ns

NpV1=a.V1=aVs (8.3)

Transistor Q1 dan Q2 beroperasi 50% selama satu siklus

sehingga,

Tegangan rangkaian terbuka Voc = 2Vs,

Arus rata-rata dari transistor IA = Is/2

Arus puncak transistor Ip = Is

Rangkaian Half bridge converter ditunjukkan pada Gambar8.1(d). Ketika transistor Q1 turned on Vs/2 muncul lewat

setengah di primer trafo, ketika Q2 turned on, tegangan balikVs/2 lewat setengah diprimer trafo. Tegangan diprimer bergerakdari – Vs/2 ke Vs/2

Tegangan rangkaian terbuka Voc = Vs

Arus rata-rata dari transistor IA = Is

Arus puncak transistor Ip = 2 Is

Tegangan output rata-rata adalah,

Vo=V2=NsNpV1=a.V1=0.5aVs (8.4)

Rangkaian Full Bridge converter ditunjukkan pada Gambar8.1(e). Ketika transistor Q1 dan Q2 turned on, Vs lewatdiprimer trafo, ketika transistor Q3 dan Q4 turned on,transistotegangan balik primer sebesar –Vs.

Tegangan rangkaian terbuka,

Voc=Vs

Arus rata-rata dari transistor,

IA=Is/2

Arus puncak transistor,

IP=Is

Tegangan output rata-rata adalah,

Vo=V2=Ns

NpV1=a.V1=aVs (8.5)

8.2.2 Resonant DC Power Supply

Jika variasi keluaran tegangan DC tidak luas, inverterpulsa resonant dapat digunakan. Konfigurasi resonant DC powersupply dapat dilihat pada gambar 8.2

Gambar 8.2 Konfigurasi Resonant DC Power Supply

8.2.3 Bidirectional DC Power Suppply

Dalam beberapa aplikasi seperti charging dan dischargingbaterei, dapat digunakan Bidirectional DC Power Supply sepertiditunjukkan pada Gambar 8.3. Arah aliran daya ditentukan olehnilai Vo, Vs, dan perbandingan belitan transformator ( a = Ns/Np).

a) Half-Bridge Inverter

b) Full-Bridge Inverter

Untuk aliran daya dari sumber ke beban, inverter dioperasikandalam mode inversion, jika :

V0<aVs (8.6)

Untuk aliran daya dari output ke input, inverter dioperasikansebagai penyearah, jika :

V0<aVs (8.7)

Gambar 8.3 Konfigurasi Bidirectional DC Power Supply

ambar 8.4 Konfigurasi system UPS

8.3 POWER SUPPLY AC

Sama halnya dengan power supply DC, power supply AC dibagikedalam tiga tipe yaitu :

1. Switched-Mode AC Power Supply2. Resonant AC Power Supply3. Bidirectional AC Power Supply

8.3.1 Switched-Mode AC Power Supply

Ukuran trafo pada Gambar 8.4 dapat mereduksi frekuensi tinggidari dc link separti ditunjukkan pada Gambar 8.5

Gambar 8.5 Konfigurasi Switched-Mode AC Power Supply

8.3.2 Resonant AC Power Supply

Konfigurasi resonant AC Power Supply dapat dilihatseperti pada Gambar 8.6

Gambar 8.6 Konfigurasi Resonant AC Power Supply

8.3.3 Bidirectional AC Power Supply

Konfigurasi Bidirectional AC power supply dapat dilihatseperti pada Gambar 8.7

Gambar 8.7 Konfigurasi Bidirectional AC Power Supply

Contoh 8.1 :

Tegangan rata-rata DC dari power supply push-pull sepertiGambar 8.1(c), Vo = 24 V, beban resistif R = 1 Ω, tegangan jatuhpada transistor Vt = 1.2 V dan tegangan jatuh pada diode Vd = 0.7 V,factor belitan trafo a = 0.25. Hitunglah :

a. Arus input rata-rata, Is

b. Efisiensi, 𝛈c. Arus rata-rata transistor, IA

d. Arus puncak transistor, Ipe. Arus rms transistor, IR

Jawab :

Diketahui :

Vo = 24 V

R = 1 Ω

Vt = 1.2 V

Vd = 0.7 V

a = 0.25

Ditanyakan :

a. Arus input rata-rata, Is = …..?b. Efesiensi, 𝛈 = ……..?c. Arus rata-rata transistor, IA = ……?d. Arus puncak transistor, Ip = …….?e. Arus rms transistor, IR = ……..?

Penyelesaian :

a. Io = Vo/R = 24/1 = 24 APo = Vo, Io = 24.(24) = 576 WTegangan sekunder,V2 = Vo+ Vd = 24 + 0.7 = 24.7 VTegangan Primer,V1 = V2/a = (24.7)/0.25 = 98.8 V

Tegangan input,Vs = V1 + Vt = (98.8(1.2) = 100 VDaya Input,Pi = Vs. Is = 1.2 IA + 1.2 IA + Vd.Io + Po

Substitusi Ia = Is /2, diperolehIs (99.2 – 1.2) = (0.7 x 24) + 576Is = (92.8) / (98) = 6.048 A

b. Pi = Vs . Is = 100 x 6.048 = 604 W sehinggaEfisiensi, 𝛈 = 576 / 604 = 95.3 %

c. IA = Is /2d. Ip = Is = 6.048 Ae. IR=√k.Ip=√0.5. (6.048 )=4.276Af. Voc = 2 Vs = 2 x 100 = 200 V

BAB IX

ELEKTRONIKA DAYA DALAM MOTOR LISTRIK DC

9.1 PENDAHULUAN

Motor DC memiliki karateristik variable dan dipakai

secara intensif untuk penggerak kecepatan variable. Motor DC

dapat memberikan torka star tinggi dan sangat mngkin diperoleh

control kecepatan dalam skala luas.metode control kecepatan

secara normal lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan

dengan penggerak AC. Industry modern dengan kombinasi AC/DC,

DC/AC converter akan didapatkan tegangan tepat.

Penggerak DC dapat diklarifikasian sebagai berikut :

1. Penggerak DC satu fasa (Single-pahase dc droves)

2. Pengaruh DC chopper (chopper dc drives)

3. Penggerak dc tiga fasa(single three phase drives

9.2 KARATERISTIK DASAR MOTOR DC

Sebuah motor dc berpenguatan bebas memiliki rangkaian

ekuibalen seperti gambar 9.1. persamaan dan karateristik motor

DC berpengaruh bebas seperti pada gambar 9.1 sebagai berikut :

Gambar 9.1 Rangkaian ekuivalen motor DC berpenguatan bebas

Vf=Rf.If+LfdIf

dt(9.1)

Va=Ra.Ia+LadIa

dt+eg (9.2)

eg=Ki.if+LfdIfdt

(9.3)

Vf=Kt.If.Ia

(9.4)

Td=Jdωdt

+Bω+TL (9.5)

Dimana :

= Kecepatan motor (rad/s)

B = Koefisien gesek (N.m/rad/s)

Kv = Ko’nstanta tegangan (V/A-rad/s)

La = Induktansi jangkar (H)

Lf = Induktansi medan (H)

Ra = Tahanan jangkar (Ω)

Rf = Tahanan medan (Ω)

TL = Torka beban (N.m)

If = Arus medan (A)

Ia = arus jangkar (A)

eg = Tegangan emf balik (V)

Kondisi Steady state :

vf=Rj.Rf (9.6)

Va=Ra.Ia+Eg=Ra.Ia+Kvlf (9.7)

Td=Kt.If.Ia=Bω+TL (9.8)

Daya yang berbentuk,

Pd=Td.ω (9.9)

Kecepatan motor,

ω=Va−IaRa

KvIf=Va−IaRa

KvVf/R(9.10)

Oleh karena itu, sesuai dengan persamaan (9.10), maka

kecepatan motor ditentukan berdasarkan.

1. Mengatur tegangan armature, Va dikenal sebagai control

tegangan

2. Mengatur arus medan, If dikenal sebagai control medan.

3. Mengatur torka yang terhubung dengan Ia,If

Ketiga cara control diatas disebut sebagai control dasar.

Dalam prakteknya untuk kecepatan yang lebih kecil kecepatan

dasar, arus jangkar dan arus medan diusahakan tetap.

Gambar 9.2 Karateristik motor DC berpenguatan bebas

Untuk motor DC tipe seri rangkaian ekuivalen seperti gambar

9.3(a) dan karateristiknya seperti pada gambar 9.3(b).

Gambar 9.3 a) Motor DC tipe seri,

B) Karateristik motor DC

tipe seri

Persamaan matematis berdasarkan rangkaian motor DC tipe seri

tersebut sebagai berikut :

Eg=KvIa (9.11)

Va=Ra.Ia+Eg=Ra.Ia+Kvla (9.12)

Td=Kt.IaIa+Bω+TL (9.13)

9.3 PENGGERAK DC SATU FASA (Single-Phase-Dc-Drives)

Penggerak DC satu fasa dibagi atas 4 (Empat) kelompok

yaitu :

1. Single-phase half-wave-converter Drives (Penggerak

converter satu fasa setengah gelombang)

2. Single-Phase-Converter Drives (Penggerak converter

satu fasa penuh)

3. Single-Phase Full-Coonverter Drivers (Penggerak

converter satu fasa penuh)

4. Single-Phase dual-converter Drives (Penggerak dual

converter satu fasa)

Gambar 9.4 Rangkaian Dasar Dari single-Phase-DC-Drives.

9.3.1 Single-Phase Half-Wave-Converter Drives

Gambar rangkaian, bentuk gelombang dari single-Phase

Half-Wave-Converter Drives ditunjukkan pada gambar 9.5

Persamaan rangkaian,

Va=Vm2π (I+cosαa) Untuk 0≤αa≤π (9.14)

Vf=Vmπ (I+cosαf ) Untuk 0≤αf≤π (9.15)

Dimana :

Va = Tegangan Jangkar rata-rata

Vf = Tegangan Medan rata-rata

Vm = Tegangan puncak dari sumber AC

Gambar 9.5 Single-Phase Half-Wave-Converter Drives

9.3.2 Single-Phase semikonverter-Drives

Gambar rangkaian, bentuk gelombang dari single-Phase

semikonverter Drives ditunjukkan pada gambar 9.6


Va=Vmπ

(1+cosαa) Untuk 0≤αa≤π (9.16)

Vf=Vmπ

(1+cosαf) Untuk 0≤αf≤π (9.17)

Gambar 9.6 Single-Phase semi converter Drives.

9.3.3 Single-Phase Full-Converter Drives

Gambar rangkaian, bentuk gelombang dari single-phase

full-converter Drives ditunjukkan pada gambar 9.7

Gambar 9.7 Single-Phase full-converter Drives.


Va=Vmπcosαa Untuk 0≤αa≤π (9.18)

Va=2Vmπ

cosαf Untuk 0≤αa≤π (9.19)

9.3.4 Single-Phase Dual-Converter Drives

Gambar rangkaian, bentuk gelombang dari single-phase

dual-converter Drives ditunjukkan pada gambar 9.8

Gambar 9.8 Single-Phase dual-Converter Drives.


Jika converter 1 beroperasi pada sudut delay aI, Maka :

Va=2Vmπ

cosαaI Untuk 0≤αa2≤π

(9.20)

Jika converter 2 beroperasi pada sudut delay a2, maka :

Va=2Vmπ

cosαa2 Untuk 0≤αa2≤π

(9.21)

Dimana a2=π−a1 dan

Vf=2Vmπ

cosαf Untuk 0≤αf≤π

(9.22)

BAB X

ELEKTRONIKA DAYA DALAM MOTOR LISTRIK AC

10.1 PENDAHULUAN

Motor AC memiliki keuntungan :

Ringan (20%-40%) dibandingkan dengan motor DC

Murah

Perawatan/Maintenance rendah

Pengaturan kecepatan motor AC dapat dilakukan dengan :

1. Kontrol frekuensi

2. Control tegangan

3. Control arus

Converter daya, inverter dan control tegangan AC dapat

mengontrol :

Frekuensi

Tegangan

Arus

Ada 2 (dua) tipe penggerak AC yaitu :

1. Motor penggerak induksi

2. Motor penggerak Sinkron

10.2 PENGGERAK MOTOR INDUKSI

Motor adalah tiga fasa secara umum dipakai pada

pengaturan kecepatan dan memiliki belitan tiga fasa pada rotot

dan startor. Gambar 10.1 adalah rangkaian ekuivalen motor AC.

Kecepatan medan sinkron,

ωs=2ωP (10.1)

Tegangan fasa stator,

Vs=√2Vssinωt (10.2)

Fluks lingkage,

∅ (t )=∅mcos (ωmt+δ−ωst) (10.3)

Tegangan induksi per fasa pada belitan rotor,

er=nrd∅dt

=Nrddt (∅mcos [ωmt+δ−ωst ])

¿Nr∅m (ωs−ωm )sin [(ωs−ωm )t−δ ] (10.4)

¿−sEmsin (sωst−δ)

¿−s√2Ersin (sωt−δ)dimana,

Nr = Jumlah belitan rotor/fasa

t = Kecepatan sudut rotor

δ = Posisi relative rotor

Er = Tegangan rms induksi rotor

Bila ada slip,

S=Jωs−ωm

ωs+Bω+TL (10.5)

Gambar 10.1 Rangkaian Ekuivalen Motor AC

10.2.1 Karateristik Performance

Rugi chopper stator,

Psu=3.Is2.Rs

(10.6)

Rugi chopper motor,

Pru=3.Ir2.Rr

(10.7)

Rugi Inti,

Pc=3Vm

2

Rm=3Vs

2

RmL(10.8)

Daya Celah,

Pg=3.Ir2.

Rr

ωs(10.9)

Daya terbentuk,

Pd=Pg−Pru=3Ir2.

Rr

s(1−s) (10.10)

Daya Input,

Pi=3VsIscosθm=Pc+Psu+Pg (10.11)

Daya ouput,

P0=Pd−Pnoload (10.12)

Efisiensi,

n=PoP1

=Pd−Pnoload

Pc+Psu+Pg(10.13)

Bila Pg≫(PC+Psu)danPd≫Pno,Efesiensimenjadi,

n=PdPg

=Pg(1−s)

Pg(10.14)

10.2 Pendekatan rangkaian ekuivalen per fasa

Impedansi input dari motor,

Zf=−Xm (Xs+Xr )+jXm(Rs+

Rr

s)

Rs+Rrs

+j(Xm+Xs+Xr)

(10.15)

Faktor daya motor,

∅m=π−tan−1Rs+

Rr

sXs+Xr

+tan−1 Xm+Xs+Xr

Rs+Rr /s(10.16)

Arus rotor,

Ir=Vs

[(Rs+Rr /s )2+(Xs+Xr )2]1/2

(10.17)

Subtitusi persamaan (10.17) ke persamaan (10.11) dan

(10.12) diperoleh,

Td=3Rf

2Vs2

Sω2[ (Rs+Rs/s)2+(Xs+Xr )2](10.18)

Saat star ωm=0danS=1,Torsistaradalah

Ts=3Rf

2Vs2

ω2 [(Rs+Rs/s)2+(Xs+Xr )2 ]1/2

(10.19)

Gambar 10.3 Karakteristik Torsi-Kecepatan

dTdds

=0,makaslippadatorsimaksimumadalah

Sm=±Rr

[Rs2+(Xs+Xr)

2 ]1/2 (10.20)

Jika S = Sm maka,

Tmm=3Vs

2

2ωs [Rs+√Rss+(Xs+Xr )2 ]

(10.21)

Jika S = -Sm maka torsi regenerating,

Tmr=3Vs

2

2ωs [−Rs+√Rs2+(Xs+Xr )2]

(10.22)

Bila Rs Kecil diandingkan impedansi rangkaian, maka

Td=3RrVs

2

ωs [(Rr/Rs )+(Xr+Xs)2 ] (10.23)

Ts=3RrVs

2

2ωs [Rr2+(Xr+Xs )2 ]

(10.24)

Sm=±Rr

Xr+Xs(10.25)

Tmm=−Tmr=3Vs

2

2ωs(Xs+Xr)(10.26)

Dari persamaan (10.23),(10.24) dan dilanjutkan dengan

persamaan (10.26) diperoleh,

TdTmm

=2Rr(Xr+Xs)

s [(Rr+Rs)2+(Xs/Xr )2 ]

=2ssm

Sn2+1

(10.27))

Dan,

TsTd

=2Rs

2(Xs+Xr)Rr2+(Xs+Xr)

2=2smsm2+1

(10.28)

Bila s < 1, S2 << S2 m maka

TdTmm

=2ssm

=2 (ωs−ωs)smωs

(10.29)

Maka kecepatan sebagai fungsi torka adalah,

ωm=ωs(1−sm

2TmmTd) (10.30)

Kecepatan dan torsi dari motor induksi dapat dirubah oleh

salah satu metode berikut :

1. Pengaturan tegangan stator

2. Pengaturan tegangan rotor

3. Pengaturan frekuensi

4. Pengaturan frekuensi dan tegangan stator

5. Pengaturan arus stator

6. Pengaturan tegangan, arus dan frekuensi

10.2.2 Pengaturan Tegangan Stator

Persamaan (10.18) mengintimidasikan bahwa torsi

proporsional dengan kuadrat tegangan stator dan penurunan

kecepatan. Bila tegangan terminal adalah penurunan bVs maka

persamaan (10.18) dikembangkan menjadi,

Td=3R2(bVs)

2

sω2 [(Rs+Rr/s2 )+(Xs+Xr )2 ] dimana b ≤ I

Va=bVs=Kmωθ

∅=Va

Kmω∅(10.31)

Gambar 10.4 Karakteristik Kecepatan Torsi Dengan PengaturanTegangan Stator

10.2.3 Pengaturan Tegangan Rotor

Pada belitan rotor, tahana 3 fasa eksternal dihubungkan

untuk slip ring seperti ditunjukkan gambar 10.5 tahanan 3 fasa

bias diganti dengan penyearah diode 3 fasa dan sebuah chopper

seperti ditunjukkan gambar 10.6(a), dimana GTO dipoerasikan

sebagai sebuah saklar chopper. Nduktor Ld, arus sumber

sebenarnya Id dan pengaturan tahanan efektif chopper dirumuskan

sebagai,

Rc=R (1−k )

(10.32)

Dimana k adalah selama siklus chopper. Kecepatan dapat

diatur dengan pengaturan k.

Gambar 10.5 Pengaturan kecepatan dengan resistor pada rotor

Gambar 10.6 Kontrol Slip Daya

10.2.4 Pengaturan Frekuensi

Kecepatan dan torsi motor induksi dapat dikontrol dengan

merubah frekuensi sumber. Jika tegangan sumber dijaga tetap

pada nilai ratingnya maka frekuensi dapat direduksi dibawa

nilai ratingnya, maka fluks akan meningkat, hal ini dikenal

celah fluks saturasi dan parameter motor lainnya seharusnya

tidak dipertimbangkan untuk menghitung karateristik kecepatan-

torsi, pada frekuensi rendah, reaktansi akan meningkat dan

arus motor menjadi tinggi. Tipe pengaturan frekuensi seperti

ini tidak digunakan

Jika frekuensi meningkat diatas ratingnya, fluks dan

torsi seharusnya menurun. Jika kecepatan sinkron berada pada

frekuensi rating disebut control dasar. Kecepatan sinkron dan

frekuensi menjadi,

ωs=βωb

s=βωb−ωm

βωb(10.33)

Dan torsi menjadi,

Td=3RrVa

2

sβωb [(Rs+Rr/s )2+(βXs+βXr )2](10.34)

Karateristik kecepatan-torsi ditunjukkan seperti pada gambar

10.7 untuk variasi nilai β, torsi maksimum pada kecepatan

dasar,

Tmb=3Va

2

2ωb(Xs+Xr)(10.35)

Torsi maksimum pada frekuensi lain,

Tm=3

2ωb(Xs+Xr)(Va

β )2

(10.36)

Slip maksimumnnya,

sm=Rr

β (Xs+Xr ) (10.37)

Tm

Tmb= 1β2 (10.38)

Tmβ2=Tmb (10.39)

Dari persamaan (10.38 dan 10.39) disimpulkan torsi maksimum

proporsional dengan kuadrat frekuensi

Gambar 10.7 Karakteristik Kecepatan-Torsi Dengan PengaturanFrekuensi

10.2.5 Pengaturan Tegangan dan Frekuensi

Jika tegangan frekuensi dijaga konstan, maka fluks juga

menjadi konstan. Torsi maksimum independen terhadap frekuensi,

sehingga dapat dijaga konstan. Pada frekuensi rendah fluks

celah udara mereduksi impedansi stator dan tegangan meningkat

untuk menjaga level torsi, hal ini dikenal sebagai control

Volt/Hertz. Jika ωs=βωβdan rasio tegangan frekuensi tetap, maka-

Va

ωs=d (10.40)

Torsi menjadi,

Td=3Rrd

2ωb2 (βωb−ωm )

ωb2 (Rs+Rr)

2+[(βωb−ωm ) (Xs+Xr ) ]2

(10.41)

Dan slip untuk torsi maksimum,

sm=Rr

[ (Rs2+β2)(Xs+Xr ) ]1 /2 (10.42)

Karateristik kecepatan-torsi ditunjukkan pada gambar

10.8, dengan mengatur tegangan dan frekuensi, maka torsi dan

kecepatan dapat diatur seperti hubungan persamaan diatas.

Secara normal torsi dijaga konstan dengan variasi tegangan.

Gambar 10.8 Karakteristik Kecepatan-Torsi Dengan PengaturanTegangan/Frekuensi

Gambar 10.9 adalah rangkaian pengatur tegangan dan

frekuensi yang mungkin dapat disusun dari fixed dan PWM

inverter, variable dc dan inverter, variable dc dual converter

dan inverter.

Gambar 10.9 Karateristik kecepatan-torsi engan pengaturantegangan/frekuensi.

10.2.6 Pengatur Arus

Torsi pada motor induksi dapat dikontrol dengan mengatur

arus rotor. Karateristik kecepatan-torsi dengan pengaturan

arus rotor dapat dilihat pada gambar 10.10 arus rotor didapat

dari persamaan,

Ir=jXmIi

Rs+Rr

s +j (Xm+Xs+Xr)=Ir<θ1 (10.43)

Torsi,

Td=3Rr (XmIi )2

sω2 [ (Rs+Rr/s )2 (Xm+Xs+Xr )2](10.44)

Torsi Star (s=1)

Ts=3Rr (XmIi )2

ω2 [(Rs+Rr /s )2 (Xm+Xs+Xr )2](10.45)

Gambar 10.10 Karakteristik Kecepatan-Torsi Dengan PengaturanArus Rotor

Slip untuk torsi maksimum,

sm=±Rr

[Rs2+(Xm+Xs+Xr )2 ]1 /2 (10.46)

Torsi, Td

I1 > I2 > I3 > I4

sm=±Rr

Xm+Xr(10.47)

Torsi maksimum ( s=Sm ),

Tm=3Xm

2

2ωs [Xm+Xr ]Ii2=

3Lm2

2 [Lm+Lr ]Ii2 (10.48)

Gambar 10.11 current-source inductor motor drive

10.2.7 Pengaturan tegangan, Arus, dan Frekuensi

Karateristik Kecepatan torsi pada motor induksi bergantung

pada tipe pengaturan. Hal ini diperlukan untuk mengatur

tegangan, arus dan frekuensi untuk mendapatkan torsi dan

kecepatan yang diinginkan. Ada tiga cara pengaturan pada motor

induksi yaitu :

1. Kecepatan dapat diatur dengan pengaturan tegangan/arus

pada torsi konstan

2. Motor induksi dioperasikan pada arus konstan dan slip

diatur.

3. Kecepataan diatur dengan frekuensi yang mereduksi arus

stator.

BAB XI

ELEKTRONIKA DAYA DALAM MOTOR STEPPER11.1 PENDAHULUAN

Motor step merupakan suatu alat digital yang operasinya

berdasarkan prinsip reluktansi atau motor sinkron, dimana

inputnya merupakan suatu rangkaian pulsa (train of pulses) dan

output yang dihasilkan adalah :

Putaran poros motor sebesar sudut tertentu dari

posisi awalnya, baik dalam arah jarum jam maupun

kebalikannya

Putaran poros motor dengan kecepatan tertentu

dalam arah jarum jam maupun kebalikannya.

Dalam hal tersebut diatas, maka jumlah pulsa dari suatu

rangkaian pulsa yang menjadi input dari motor step akan

menentukan besarnya perubahan posisi sudut dari poros

motornya, sedang frekuensi pulsanya akan menentukan kecepatan

putarannya.

Motor step mempunyai dua bagian utama yaitu rotor dan

stator, dengan 2, 3 dan 4 phase kumparan yang terdistribusi

secara seragam dalam slot-slot pada statornya. Gambar

11.10.2014

Step angle = sudut langkah = 360o/(sn)

S = jumlah staks

N = gigi setiap stak

Gambar 11.1 Skematis motor step (peramanent magnet)

11.2 MODE SWITCHING (Step Putaran Sebesar 90o)

Ada beberapa switching mode yang biasa dilakukan untuk

mendapatkan step putaran yang dikehendaki, misalnya step

putaran sebesar 90o atau putaran 45o.

a. Mode Switching A (Step Putaran Sebesar 90o)

Gambar 11.2 Mode switching A untuk memutar rotor searah

dengan jarum jam dan step perputaran sebesar 90o.

Tabel 11.1 Mode Switching A untuk memutar jarum jam dan

step perputaran sebesar 90o.

STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 + -2 + +3 - +4 -5 + -

Tabel 11.2 Mode switching A untuk mendapatkan putaran

rotor berlawanan dengan arah putaran jarum jam

STEPTerminal

T1 T2 T3 T41 + -

2 - +3 - +4 + -5 + -

Dengan mode switching A rotor akan berputar dengan step

perputaran sebesar 90o.

Perpindahan tegangan positif dan negative dari satu

terminal ke terminal lainnya untuk menghasilkan putaran

rotor yang searah dengan jarum jam.(lihat table 11.1)

Untuk mendapatkan arah putaran yang berlawanan dengan

arah putaran jarum jam dengan mode switching A ini, maka

tegangan positif dan negative dari catu daya harus

dipindahkan dari satu terminal ke terminal lain seperti

yang ditunjukkan dalam table 11.2

b. Mode Switching B

Pada mode switching B step perputaran rotor yang

dihasilkan adalah 90o,seperti halnya pada mode switching A

Gambar 11.3 Mode Switching B.

Dimana satu step ekuivalen dengan putaran sebesar 90o dan

arah putarannya searah jarum jam.

Tabel 11.3 Mode switching B, dengan step perputaran 90o

dan arah putaran searah dengan arah putaran jarum jam.

STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 + + - -2 - + + -3 - - + +4 + - - +5 + + - -

Dalam gambar 11.3 dan table 11.3 ditunjukkan mode

switching B dengan 2 kutub stator dieksitasi secara

bersamaan dan menghasilkan putaran rotor searah dengan

jarum jam dengan step perputaran sebesar 90o.

c. Mode Switching C

Mode switching C merupakan gabungan dari mode switching A

dan mode switching B yang dapat menghasilkan step

perputaran rotor sebesar 45o.

Tabel 11.4 Mode switching C. satu step sama dengan

putaran rotor sebesar 45o dan arah putaran searah dengan

arah putaran jarum jam.

STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 + -2 + + -3 + -4 - + + -5 - +6 - - + +7 - +8 + - - +9 + -

Gambar 11.4 Mode switching C Satu step sama dengan

putaran rotor sebesar 45o dan arah putaran searah dengan

arah putaran jarum jam.

d. Mode Switching D, E, F dan G

Proses switching tersebut akan menjadi sederhana bila

motor step dilengkapi dengan center tap pada kumparan-

kumparan statornya, seperti yang diperlihatkan pada

gambar 11.5. Dengan cara ini kumparan stator menjadi 4

phase. Dalam prakteknya kedua center tap tersebut

dihubungkan ke tegangan positif dari catu daya secara

permanen dan terminal dari stator dihubungkan ke tegangan

negative melalui suatu peralatan switching.

Tabel-tabel 11.5, 11.6 dan 11.7 menunjukkan mode

switching pada motor step yang memilikicenter tap untuk

step perputaran sebesar 90o dan 45o dan selanjutnya

dinamakan mode D, mode E dan mode F yang memiliki

keterkaitan dengan mode A, mode B, mode C di depan.

Gambar 11.5 Kumparan stator

Tabel 11.5 Mode Switching D

Step perputaran 90o dan center tap dihubungkan ke tegangan

positif dari catu daya

STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 -2 -3 -4 -

Tabel 11.6 Mode Switching E



STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 - -2 - -3 - -

4 -

Tabel 11.7 Mode Switching F



STEPTerminal

T1 T2 T3 T4

1 -2 - -3 -4 - -5 -6 - -7 -8 - -

Tabel 11.8 Perbandingan dari berbagai mode switching

Mode

switching

Torsi

electromagnetDaya input

Torsi per

daya inputA 71% 25% 2,84B 100% 50% 2,00

C 84% (rata-

rata)

37,5 %

(rata-rata)

2,24 %

(rata-rata)

D 71 % 50 % 1,42E 100 % 100 % 100 %

F84 % (rata-

rata)

75 % (rata-

rata)

1,12 (rata-

rata)

Gambar 11.6 Motor Step dengan variable reluktansi

11.3 KONSTRUKSI MOTOR STEP

Ada dua jenis motor step jika ditinjau dari konstruksinya,

yaitu :

a. Motor step variable reluktansi lihat gambar 11.6

b. Motor Step denganmagnit permanen (lihat gambar 11.7)

Motor step variable reluktansi memiliki step perputaran

sebesar 18o, yaitu bila digunakan mode switching D dan E, atau

memiliki step perputaran sebesar 9o bila menggunakan mode

switching F. Center tap dari kumparan stator pada motor step

dihubungkan dengan tegangan positif dari catu daya, kemudian

terminal T1 dihubungkan ke tegangan negatifnya. Bila tegangan

negative dari catu daya dipindahkan dari terminal T1 ke

terminal T2, maka rotor akan berputar searah jarum jam sebesar

18o demikian seterusnya.

Gambar 11.7 Motor step dengan magnit permanen

Gambar 11.8 Karakteristik dari torsi perlawanan sebagai fungsi

dari posisi pergerakan rotor, karena dipaksa berputar oleh

suatu torsi dari luar.

11.4 PRESTASI (PERFORMANCE)

a. Dalam kondisi static

Apabila rotor berada pada suatu posisi keseimbangan untuk

suatu kondisi eksitasi yang tertentu, kemudian rotor

dipaksa berputar dengan memberi torsi dari luar, maka

dari dalam motor sendiri akan timbul perlawanan untuk

mempertahankan posisi keseimbangan rotornya. Tosi

perlawanan dari dalam tersebut dinamakan restoring torque.

Besarnya torsi perlawanan tersebut bervariasi secara

sinusoidal terhadap besarnya sudut perputaran. Torsi

perlawanan akan berharga maksimum bila sudut

perputarannya 90o, baik dalam arah putaran jarum jam

maupun kebalikannya (dilihat gambar 11.8).

b. Dalam kondisi dinamik

Dengan dilakukannya proses switching, maka rotor akan

berputar secara bertahap dari posisi keseimbangan yang

satu ke posisi keseimbangan yang lain, sesuai dengan arah

eksitasi medan magnet yang diberikan.

Bila selang waktu (time interval) antara suatu proses

switching ke proses switching berikutnya cukup lama,

sehingga osilasi yang terjadi dapat teredam, maka proses

switching tersebut menghasilkan suatu operasi perputaran

rotor yang stabil meskipun disertai dengan proses osilasi

yang teredam (lihat gambar 11.9). Bila laju proses

switching dipercepat (selang waktu antara proses

switching yang satu dengan proses switching yang

berikutnya menjadi berkurang) sedemikian rupa sehingga

proses perputaran yang disertai dengan osilasi

dieliminir, maka dihasilkan proses perputaran rotor

seperti yang ditunjukkan dalam gambar 11.10 Dalam gambar

11.11 ditunjukkan bagaimana laju proses switching dapat

diatur untuk menghindari terjadinya perputaran rotor yang

disertai proses isolasi, walaupun masih terjadi proses

percepatan dan perlambatan dalam perputaran rotor yang

relative lebih halus (smooth).

Gambar 11.9 Proses switching yang menghasilkan perputaran

rotor yang stabil, walaupun disertai dengan terjadinya

proses osilasi yang teredam.

Gambar 11.10 Proses switching yang diatur sedemikian rupa

sehingga mengeliminir terjadinya proses osilasi teredam

perputaran rotor.

Gamabr 11.11 Pull rate, pull out rate, daerah respond an

slew range dari motor step sebagai fungsi dari laju

switching.

11.5 CONTOH APLIKASI

Motor step merupakan alat digital yang tidak memiliki

saingan jika digunakan dalam system penggerak dengan loop

terbuka (open loop). Output dari motor step adalah putaran

rotor dengan kecepatan dan posisi akhir yang tertentu dan

merupakan fungsi dari frekuensi pulsa dan jumlah pulsa yang

menjadi inputnya. Dalam daerah responnya, motor step dapat

digunakan sebagai penggerak dari suatu system positioning

dengan loop terbuka.

Motor step dapat digunakan sebagai system penggerak dari

beberapa peralatan seperti printer, recorder, plotter dan

system positioning lainnya. Dalam table 11.9 ditunjukkan

spesifikasi ari 2 buah motor step.

Tabel 11.9 Spesifikasi teknik dari beberapa motor step.

Spesifikas

i

Merek

motor dan

tipe

Unit

Perputaran rotor per

pulsaDerajat

Laju switching

maksimumPps

Daya output WattTorsi output

(static)

Nm

……………………………….

……………………………….

……………………………….

……………………………….

……………………………….

………………..

………………..

………………..

………………..

………………..Inersia beban yang

diizinkanKgm2

11.12 Sistem Pengontrolan Motor Step

Sistem control untuk penggerak motor step (stepper motor

driver) pada umumnya terdiri dari tiga bagian utama, yaitu :

Generator pembangkit pulsa, yang berupa suatu unit

perangkat keras (hardware) atau berupa program (software)

dalam suatu computer.

Rangkaian logika penggerak (logic driver)

Penguat daya (amplifier)

Masing-masing bagian tersebut akan diuraikan lebih lanjut.

a. Generator Pembangkit Pulsa

Pada system NC, generator pembangkit pulsa merupakan

suatu rangkaian perangkat keras (yang berfungsi sebagai

interpolator) yang disebut DDA (Digital Differentian

Analyzer). Sedangkan pada system CNC, generator

pembangkit pulsa merupakan suatu program yang tersimpan

dalam memori CNC. Generator pembangkit pulsa ini akan

diuraikan lebih lanjut dalam bab terpisah, yaitu bab

tentang interpolator.

b. Penggerak Logika (Logic Driver)

Penggerak logika diperlukan untuk melakukan proses

switching secara elektronis, yaitu memutus dan

menghubungkan arus listrik dari sumber catu daya melalui

setiap phase dari kumparan statornya. Proses switching

dapat juga dilakukan dengan menggunakan computer. Salah

satu cara yang digunakan untuk proses switching dengan

perangkat keras adalah menggunakan rangkaian logika

(logic circuit). Rangkaianlogika tersebut (lihat gambar

11.12 terdiri dari 3 komponen utama, yaitu :

Up/Down Counter (misalnya 74 LS 193)

3 to 8 decoder (misalnya 74 LS 138)

Gerbang NAND, open collector (misalnya 74 LS 12).

Gambar 11.12 Rangkaian logika, untuk penggerak motor step.

Gambar 11.13 Output dari up/down Counter bila pada pin UP

diberi serangkaian pulsa.

Apabila ada suatu rangkaian pulsa masuk sebagai input

pada pin UP dari UP/DOWN COUNTER, maka sebagai outputnya (pada

pin QA, QB dan QC) dihasilkan pulsa-pulsa seperti yang

ditunjukkan dalam gambar 11.13. Selanjutnya output dari

counter menjadi input dari decoder. Hubungan antara input dan

output pada decoder tersebut ditunjukkan dalam table 11.10.

Output dari decoder tersebut diatas selanjutnya digunakan

sebagai input dari Gerbang Logika NAND (NAND Gate) open

collector, sedemikian rupa sehingga output dari Gerbang logika

NAND secara bergantian melakukan proses switching, misalnya

dimulai dengan mengalirnya arus listrik menuju penguat daya

melalui titik K-N, K, K-L, L, L-M, M, M-N, N dan akhirnya

kembali ke K-N. Laju dari proses switching ini merupakan

fungsi dari frekuensi sinyal pulsa yang merupakan input dari

UP/DOWN Counter (lihat gambar 11.12 Selanjutnya output dari

Gerbang Logika NAND digunakan sebagai input dari penguat daya

(amplifier).

Tabel 11.10 Hubungan antara input dengan output dari 3 to 8

decoder.

Input OutputA B C Y7 Y6 Y6 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0

0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 00 0 1 1 1 1 1 1 1 0 10 1 0 1 1 1 1 1 0 1 10 1 1 1 1 1 1 0 1 1 11 0 0 1 1 1 0 1 1 1 11 0 1 1 1 0 1 1 1 1 11 1 0 1 0 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

Gambar 11.14 Penguat daya R/L (Resistance Limited).

Gambar 11.15 Rangkaian penggerak logika untuk motor step

dengan penguat dayanya.

c. Penguat Daya

Salah satu jenis penguat daya yang akan dijelaskan adalah

jenis L/R (Limited-Resistance) seperti yang ditunjukkan

pada gambar 11.14 Kumparan phase dari motor step

dinyatakan sebagai hambatan Rm dan induktansi L yang

dihubungkan secara seri (lihat gambar 11.14) Time

constant elektris dari motor step ini (L/Rm) biasanya

berkisar antara 10 mili-detik. Bila suatu tegangan

disuplai dari catu daya yang tegangannya konstan ke

kumparan motor step tersebut, maka besar arus listrik

yang terjadi akan mencapai 95% dari harga maksimumnya

dalam waktu 3 kali dari time constantnya, sehingga akan

mempengaruhi laju switching yang diperbolehkan.

Beberapa metoda yang dapat dipergunakan untuk mempercepat

arus listrik mencapai harga maksimumnya pada suatu

kumparan dalam suatu proses switching adlah sebagai

berikut :

a. Digunakan tegangan catu daya yang tinggi, kemudian

memasang hambatan (R) secara seri dengan kumparan

motor, sehingga time konstannya menjadi L/(Rm + R).

Suatu diode dipasang secara parallel terhadap kumparan

motor (lihat gambar 11.14) untuk proses discharging

pada akhir dari setiap proses switching OFF.

b. Berusaha mendapatkan arus konstan di kumparan motor

stepnya, untuk setiap laju switching yang dilakukan

BAB XII

ELEKTRONIKA DAYA DALAM MOTOR DC-PM

12.1. PRINSIP OPERASI

Motor servo DC-PM terdiri dari beberapa komponen utama,

yaitu(lihat gambar 12.1):

Rotor dengan kumparan armature dan komutatornya

Magnet permanen pada statornya

Sikat-sikat (brushes) dengan beserta dudukannya.

Fungsi komutator adalah membalik arah aliran arus listrik

yang melalui kumparan armaturnya, pada saat kumparan

armature berpindah dari kutub utara ke kutub selatan

(atau sebaliknya), untuk mendapatkan putaran motor sesuai

dengan yang dikehendaki. Beberapa contoh motor servo DC-

PM yang menunjukkan proses pembalikan arah aliran arus

listrik dikumparan armaturnya ditunjukkan dalam gambar

12.2. apabila arus listrik masuk kekumparan armature

motor servo DC-PM melalui titik 0 (lihat digambar 12.3),

maka arus listrik tersebut akan meninggalkan kumparan

armature melalui titik P.

Gambar 12.1 Model Dari Motor Servo Dc-Pm

Gambar 12.2 Proses pembalikan arah aliran arus listik

pada beberapa jenis motor servo DC-PM

Gambar 12.3 Formasi kumparan pada rotor dari motor DC-PM

Bila kumparan Q dihubungkan ke kumparan R yang terletak

disebelah kumparan P dan kumparan P dihubungkan kekumparan S

yang terletak didekat kumparan Q dam proses ini dilakukan

secara berkesinambungan, maka akan terbentuk suatu kumparan

tertutup pada permukaan rotor.

Gambar 12.4 Kontrak antara sikat dengan komutator

Gambar 12.5 Hubungan antara torsi T dengan tegangan arus

searah V dan putaran n, dengan beberapa batasan dari daerah

operasinya.

Tegangan arus searah (VI) yang diberikan pada terminal-

terminal dari motor DC-PM akan menghasilkan putaran motor

sebesar n rpm dengan torsi sebesar T Nm. Yang hubungannya

dinyatakan dalam gambar 12.5

12.2 KARATERISTIK MOTOR SERVO DC-PM

Suatu motor DC-PM ditunjukkan secara skematis dalam

gambar 12.6. tegangan listrik arus searah Va yang diberikan

pada kumparan armature selanjutnya dapat dinyatakan sebagai

persamaan berikut :

Va=i.R+Ldidt

+(Kv.ωr)

(12.1)

Dimana,

Va = Tegangan listrik arus searah pada kumparan

armature.

I = Arus listrik pada kumparan.

R = Hambatan pada kumparan.

L = Induktansi pada kumparan

KV = Konstanta back emf.

= d0dt=kecepatanputarrotor

Dθ = Besarnya perubahan posisi sudut rotor.

Gambar 12.6 gambar skematis dari motor DC-PM

Torsi yang dihasilkan motor DC-PM dalam gmabar 12.6

adalah sebagai berikut :

Tr=Kt.i−Jrd2θdt2

+Kddθdt2

+Tf+T1 (12.2)

Dimana,

Kt=¿ Konstanta torsi dari motor

Jr=¿ Inersia rotor

Kd=¿ Koefisien peredaman

Tf=¿ torsi untuk melawan gesekan (Friction Torque)

Tt=¿ torsi untuk melawan beban.

Apabila induktansi kumparan motor dapat diabaikan, maka

persamaan 12.1 akan menjadi :

Va=i.R+Kv.r

i=1R

[Va−Kv.ωr] (12.3)

Apabila efek peredaman(damping) dan gesekan juga

diabaikan, maka persamaan 13.4 akan menjadi :

Tr=Kt.t−Jr.d2dt2

θ+T1 (12.4)

Dari persamaan 12.3 dan persamaan 12.4 akan diperoleh :

Tr=KtR [Va−Kv.ωr ]−Jr. d

dtωr+T1

ωr=iKv.Va−

Jr.RKt.Kv

. ddt

ωr−R

Kt.Ki.T1

(12.5)

Gambar 12.7 Hubungan antara kecepatan dengan torsi/arus

listrik.

a. KARATERISTIK DALAM KONDISI STATIS

Dalam keadaan stationer ddtωr−0, sehingga persamaan 12.5

menjadi sama dengan :

r=1Kv.Va−

RKt.Kv

T1

(12.6)

Stalling toeque pada kecepatan ωr=0 adalah sama dengan :

Tstall=[ KtR ].Va

(12.7)

Dalam keadaan tanpa beban (no load) kecepatan

stationernya adalah :

ωrnoload=Va

Kv(12.8)

Selanjutnya hubungan antara kecepatan dengan torsi/arus

tersebut dapat dilihat dalam gambar 12.7.

b. KARATERISTIK DINAMIK

Dari persamaan 12.5 dapat diperoleh hubungan antara

kecepatan motor dangan tegangan listrik arus searah pada

terminal input dari motornya :

[ Jr.RKt.Kv. ddt r+r]= 1

KvVa−

RKt.Kv

.T1

(12.9)

Dimana :Jr.RKt.Kv

=tm (time constant mekanis)

Dengan transformasi laplace, persamaan 12.9 dapat diubah

menjadi dalam domain p sebagai berikuut :

[tmP+1 ]ωr (p)− 1Kv.Va (p)− 1

Kl.Kv.T1(p) (12.10)

ωr (p )−(1 /Kv ) [Va(p)]−( RKl .Kv)[T1(p) ]

1+tm.P

(12.11)

Bila kondisi awal nol, input Va berbentuk fungsi step dan

T1=0, maka solusi dari persamaan 12.11 dalam bentuk domain

waktu adalah :

ωr (t )− 1Kv

.Va [1−e−1/tm ] (12.12)

Dari persamaan 4.13 dapat dilihat bahwa solusi untuk t

mendekati tidak terhingga(telah mencapai kondisi stationer)

adalah (1 /Kv )Va.

Contoh soal 12.1

Suatu motor servo DC-PM memiliki konstanta torsi dan back

emf sebagai berikut :

K1 = 0,824 Nm/A

Kv = 0,824 Volt.detik/rad

Bila hambatan kumparan adalah 0,41 ohm dan inersia rotor

2,15.10-2 kg.m2, hitunglah

a. Time constant mekanis dari motor tersebut

b. Kecepatan putaran motor dalam kondisi stationer (Va =

85 Volt), untuk kondisi tanpa beban dan kondisi beban

penuh (13,57 Nm)

Pemecahan contoh soal 12.1

a. Time constant mekanis :

tm=Jr.Rkt.kv

¿2,15.10−2.0,41

(0,824 )2 kg.m2.ohm

[volt.detik/rad ] [N /A ]¿12,98mili−detik.

b. Kecepatan dalam kondisi stationer :

ωr=1Kv.Va−( RKt

.Kv).T1Dalam kondisi tanpa beban (T1 = 0), kecepatan adalah :

ωr=1Kv.Va

¿1

0,824.85 volt

(volt.detik)/rad¿103rad /detik

¿103 (60/2π )rpm

¿983,6rpmDalam kondisi beban penuh (T1 = 13,57Nml), kecepatannya

akan menjadi :

ωr=103 (rad/det )− R.1Kt.Kv

¿103−0,41.13,57

(0,824 )2ohm.Nm

(V.det/rad ) (Nm/A )

¿103−8,19 (rad/det)

¿94,81rad/det

¿94,81 602π

rpm

¿905,4rpm

Kecepatan motor setelah mencapai keadaan stationer, untuk

kondisi tanpa beban dan beban penuh digambarkan pada gambar

12.8

Gambar 12.8 Respon motor dalam keadaan stationer untuk kondisi

tanpa beban dan beban penuh, dari contoh soal 12.1

Perbandingan putaran motor dan ulir penggerak ditentukan

oleh perbandingan jumlah gigi dari reduksinya,

Kg=ω1

ωr−Zr

Z1(12.13)

Untuk mengetahui time constant dari system penggerak ini,

inersia beban (meja+ball screw+roda gigi) harus dipindahkan ke

rotor dari motornya.

Tm=JeqRKtKv

Dimana,

Jeq = J ekuivalen yang dinnyatakan sebagai berikut :

Jeq=Jr+Jrg1+Kg2[Jrg2+J1+m.p2(2π )2 ] (12.14)

Dimana,

Jr = Inersia motor

Jrg1 = Inersia roda gigi 1

Jrg2 = Inersia roda gigi 2

J1 = Inersia ulir penggerak

m = Masa dari meja

P = pits dari ulir gerak

1 = Kecepatan putaran ulir penggerak

r = Kecepatan putaran motor

12.3 TEKNIK PENGONTROLAN MOTOR SERVO DC-PM

Servo DC-PM yang digunakan sebagai motor penggerak

dalam mesin-mesin perkakas NC, yaitu :

- Converter DC to DC (Chopper), misalnya :

a. Pulse frequency modulation (PFM)

b. Pulse width modulation (PWM)

- Phase Controlled Rectifier (AC to DC)

Dalam bab ini yang akan dibahas lebih lanjut adalah

converter DC to DC dengan teknik PWM (Pulse Width Modulation).

Dalam gambar 12.9 ditunjukkan suatu gambar skematis

yang menjelaskan prinsip dasar dari teknik PWM untuk

mengontrol kecepatan dan arah putaran motor servo DC-PM.

Suatu catu daya tegangan searah (DC Power Suplly)

dengan tegangan sebesar V Volt dignakan untuk mengsuplai motor

DC-PM (lihat gambar 12.9a). bila saklar S ditutupi (terjadi

kontak) maka arus listrik akan mengalir melalui kumparan motor

servo DC-PM (lihat gambar 12.9a dan 12.9b).

Gambar 12.9 Prinsip dasar dari teknik PWM (Pulse Width

Modulation)

Bila saklar S dibuka, arus listrik akan mengalir dimotor

servo DC-PM, karena masih ada energy tersimpan dalam kumparan

motornya.arus ini mengalir melalui diode D dan dinamakan free

whelling current. Selanjutnya, bila saklar S ditutup kembali,

maka arus listrik dari catu daya mengalir kembali melalui

motor. Dengan demikian jelas bahwa teknik pengontrolan PWM ini

hanya menggunakan prinsip pemutusan dan penyambungan aliran

arus listrik melalui motor servo DC-PM.

Dalam gambar 12.9 dapat dilihat bahwa lebar pulsa (Pulse

Width) akan bervariasi dalam daerah 0<Ton<T, dimana T

menyatakan suatu harga konstan dan f ( frekuensi switching) =

1/T.

Dalam praktek, switching tersebut bias dilakukan denga

thyristor atau transistor. Rangkaian dasar dari chopper PWM

dapat dilihat pada gambar 12.10.

Gambar 12.10 Rangkaian dasar chopper PWM

12.10 Rangkaian dasar chopper PWM yang ditunjukkan dalam

gambar hanya dapat mengalirkan arus listrik dari catu daya ke

motor. Tetapi tidak sebalinya, dengan demikian proses

regenerasi tidak dapat dilakukan (regenerasi merupakan proses

penggeraman yang paling disukai untuk system-sistem penggerak

dengan beban energy yang tinggi, dimana energy kinetic dari

beban disisipi oleh discharging resistor atau rem gesek).

Dalam gambar 12.11 ditunjukkan rangkaian dasar chopper

PWM dua kuadran yang mampu melakukan proses regenerasi. Q1 dan

D1 berfungsi sama seperti Q dan D pada gambar 12,10

Bila beban dari motor ditambah dan ton juga ditambah untuk

mempertahankan kecepatan putaran pada kondisi pembebanan yang

meningkatkan tersebut, maka bentuk gelombang arus listrik ia

akan sama seperti yang ditunjukkan dalam gambar 12.10

Gambar 12.11 Chopper 2 kuadran.

Bila sebalinya, suatu penuruanan kecepatan harus

dilakukan dengan menurunkan harga ton, maka Q1 dan D1 untuk

sementara tidak mengalirkan arus listrik seperti yang

ditunjukkan dalam gambar 12.11c dalam hal ini, ia untuk

sementara waktu dalam periode pengereman akan berharga

negative, dan proses pengereman regenerasi. Rangkaian chopper

PWM 2 kuadran yang ditunjukkan dalam gambar 12.11 hanya dapat

memutar motor dalam satu arah saja.

Berikut ini akan ditunjukkan suatu rangkaian dasar

chopper PWM 4 kuadran, yang dapat memutar motor dalam arah CW

maupun CCW dan sekaligus dapat melakukan proses pengereman

regenerasi dalam dua arah tersebut.

Gambar 12.12 Proses modulasi lebar pulsa (PWM) dalam rangkaian

chopper 4 kuadran.

Gambar 12.13 Rangkaian transistor yang digunakan bersama-sama

dengan rangkaian dalam gambar 12.13

Dalam gambar 12.13 ditunjukkan rangkaian dasar dari

transistor yang digunakan bersama-sama dengan hasil modulasi

yang ditunjukkan dalam gambar 12.12.

Apabila putaran motor dalam arah CW tersebut terjadi pada

saat transistor B dan transistor C meneruskan arus listrik

pada collectornya, maka :

- Untuk berputar dalam arah CW tersebut, transistor B

dan transistor C harus dalam keadaan menghantar arus

listrik pada collectornya, sehingga akan terjadi

aliran arus listrik melalui suplai +, transistor C,

melalui motor, transistor B dan akhinya ke suplai -.

- Arus free whelling mengalir dari motor melalui diode

A, transistor C, dan akhirnya kembali ke motor.

- Arus regenerasi (pada saat terjadinya pengereman)

mengalir dari motor, melalui diode C, suplai +, dan

suplai -, diode B dan akhirnya kembali kemotor.

BAB XIII

ELEKTRONIKA DAYA DALAM HVDC13.1 PENDAHLUAN

Sistem transmisi tegangan tinggi arus searah (HVDC)

mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan system transmisi

tegangan tinggi arus bolak-balik, antara lain : jumlah

koduktor yang digunakan lebih sedikit dan stress tegangan yang

ditimbulkan lebih kecil. Walaupun demekian, keterbatasan dalam

perubahan nilai tegangan masih membuat system transmisi arus

searah kurang umum digunakan.

Penggunaan saluran transmisi DC dimungkinkan berdasarkan

atas pertimbangan teknis sebagai berikut :

a. Route saluran transmisi sanagat panjang

b. Intrkoneksi dari suatu system yang berbeda frekuensi

c. Kabel laut yang cukup panjang

d. Stabilisasi dari jaringan yang sudah ada

e. Pengurangan arus hubung singkat pada system penerima yang

menggunakan arus bolak-balik.

Suatu system transmisi tegangan tinggi arus searah

memerlukan converter untuk mengkonversi daya AC menjadi DC.

Thyristor dengan daya maupun tegangan yang tinggi dapat

dimanfaatkan untuk peralatan converter. System transmisi

tegangan tinggi arus searah secara umum terdiri dari sumber

tegangan, filter AC, transformator, thyristor, smoothing

reactor dan medium transmisi.

Dalam BAB 13 ini akan dibahas peranan Elektronika Daya

dalam HVDC dengan memanfaatkan converter AC-DC dan inverter

DC-AC. Dengan demikian maka :

1. Menganalisis tegangan rata-rata DC, Arus DC, dan Daya

Output DC, dengan menggunakan penyearah jembatan tiga

fase tanpa control, dan terkontrol

2. Menganalisis tegangan rata-rata AC, Arus AC daya output

AC, dengan menggunakan inverter DC-AC.

Komponen-komponen utama dari suatu system tegangan tinggi

arus searah adalah stasiun converter di sisi pengirim yang

disebut inverter, medium transmisi dan elektroda. Stasiun

converter ini memiliki beberapa komponen peralatan sebagi

berikut :

a. Thyristor

b. Transformator

c. Filter AC dan Kapasitor Bank Filter AC

d. Smoothing Reaktor

e. Filter DC

f. Sistem Kontrol

g. Medium Transmisi

Untuk transmisi daya listrik di atas daratan, medium

transmisi paling sering yang digunakan adalah saluran udara

(overhead). Saluran overhead ini secara normal berkutub dua,

yaitu dua konduktor dengan polaritas yang berbeda. Kabel

tegangan tinggi arus searah secara normal digunakan untuk

transmisi bawah laut. Paling umum digunakanjenis kabel padat

(solid) dan oil-filled. Jenis yang padat banyak digunakan

karena paling ekonomis.

Beberapa piranti lain juga diperlukan oleh stasiun

converter, seperti pemutus kontak, transducer tegangan dan

arus, surge arrester, dan lain-lain. Gambar 13.1

memperlihatkan rangkaian peralatan-peralatan pada stasiun

converter.

Gambar 13.1 Stasiun Konverter

Beberapa masalah dalam transmisi arus bolak-balik yang

saat ini dapat diatasi dengan transmisi arus searah antara

lain :

1. Transmisi tenaga listrik dengan kabel tanah ataupun kabel

laut melalui jarak-jarak yang jauh dengan tegangan tinggi

arus bolak-balik memerlukan daya reaktif yang sangat

besar. Masalah ini tidak ada pada tegangan tinggi arus

searah.

2. Operasi parallel dari dua system arus bolak-balik melalui

interkoneksi dapat mengalami masalah-masalah stabilitas,

terutama dengan daya-daya besar. Bilamana interkoneksi

dilakukan dengan tegangan tinggi arus searah maka

stabilitas tidak menjadi masalah.

3.2 KONVERTER AC-DC

Pada umumnya penyearah atau converter yang dimaksud ialah

peubah tegangan tinggi arus bolak-balik menjadi tegangan

tinggi arus searah. Komponen utama yang umum digunakan ialah

diode dan thyristor (SCR).

Apabila ditinjau dari jenis komponen yang digunakan maka

dikenal penyearah tidak terkendali dan penyearah terkendali.

Dalam makalah ini akan digunakan penyearah jembatan tiga fasa

tanpa control dan semi control.

13.3 PARAMETER-PARAMETER PENYEARAH

Penyearah adalah suatu rangkaian yang mengubah system

tegangan arus bolak-balik menjadi system tegangan arus

searah\. Konverter ini terdiri dari rangkaian diode untuk

mengubah sinyal arus bolak-balik menjadi sinyal arus searah.

Rangkaian penyearah dibutuhkan terutama untuk suplai daya arus

searah bagi rangkaian pengendali atau rangkaian-rangkaian

elektronika lainnya. Terdapat bebrapa tipe penyarah, dan

penampilannya dievaluasi dari parameter-parameter berikut :

Tegangan keluaran rata-rata, Vdc adalah :

Vdc=1T∫0

T

v (t )dt. (13-1)

Arus keluaran rata-rata, Vdc adalah :

Idc=VdcR (13-2)

Efesiensi atau perbandingan penyearah :

η=Pdc−outPac−¿

(13-3)

Daya masukkan ac, Pac adalah daya yang ditunjukkan oleh

pembacaan watt-meter yang dihubungkan pada rangkaian penyearah

dengan kumpara tegangan dihubungkan dengan belitan sekunder

transformator.

Faktor Bentuk, form factor (ff) :

ff=VrmsVdc (13-4)

Factor riak (ripple factor) :

r=Vr−rmsVdc

danr=Ir−rmsIdc

ataur=(ff2−1 )1 /2(13-5)

Regulasi tegangan :

%R=Vnl−Vfl

Vflx100% (13-6)

Transformer Utilitation Factor, TUF adalah

TUF=PdcbebanStrafo

(13-7)

13.4 TEGANGAN DAN ARUS SALURAN TRANSMISI DC

Rangkaian ekivalen untuk saluran transmisi DC ditunjukkan

pada gambar 2.4 berikut :

Gambar 13.2 Diagram satu garis saluran transmisi tegangan

tinggi arus searah

Sebuah generator 3 fasa (power sistem) menyalurkan daya

ke beban pada suatu rangkaian yang seimbang adalah 3 kali daya

pada semua fasa, karena daya rangkaian penyearah tiga fasa

ditunjukkan pada gambar 13.2. Bentuk gelombang tegangan dan

P Q P

Power

System

Beban

I I

VV

aruspada tiap bagian ari gambar 13.2 ditunjukkan pada gambar

13.3pada saat D1 dan D6 konduksi, D1 dan D6 memblok tegangan

sumber Vab dengan nilai maksimum sebesar √3Vm. Dengan demikian,tiap dioda yang digunakan harus memiliki PIV sebesar √3Vm.Dari bentuk gelombang tegangan di atas maka nilai tegangan

keluaran rata-rata dapat ditentukan:

Tegangan keluaran rata-rata :

Vdc=3π ∫

π /6

π /2

VmSin(ωt+π6 )dωt=

3√3Vmπ =1,654xVm (13-8)

Tegangan efektif pada beban adalah :

Vrms = [3π∫π6

π2

Vm2sin2(ωt+π6 )dωt]

1/2

= 1,6554 Vm (13-9)

Arus keluaran penyearah adalah :

Idc=3√3πR

Vm (13-10)

Gambar 13.3 Penyearah Jembatan Tiga Fasa Gelombang Penuh Tanpa

Control

Strafo = 3VrmsIrms, dimana Vrms = Vm/√2,sedang arus padalilitan sekunder trafo dapat tentukan dengan :

Irms=[√3VmπR ∫π6

π2

sin2(ωt+π6 )dωt+∫

π2

5π6

sin2(ωt−π6 )dωt]

12

=1,3517Vm/R

Dengan demikian,

Vm=2,8673Vm

2

R(13-12)

Dari nilai-nilai besaran tersebut di atas dapat

ditentukan parameter-parameter penyearah sebagai berikut :

Faktor bentuk :

FF=Vrms

Vdc=1,000885 (13-13)

Factor riak :

r=√[FF−1 ] = 0,042 (13-14)

faktor penyearah :

p=Pdc−out

Pac−¿

=0,998 (13-15)

dimana : Pdc−out=

(3√3π

Vm)2

R , Pac−¿=

(1,6554Vm)2

R

Transformator Utilitation Faktor :

TUF=Pdc−beban

Strafo=0,954 (13-16)

dimana : Pdc−out=

(3√3π

Vm)2

R Strafo=

(2,8673Vm)2

R

Dari beberapa parameter yang ada Nampak bahwasanya

penyearah tiga fasa sistem jembatan ini memiliki penampilan

yang jauh baik disbanding penyearah sebelumnya. selain

efesiensi dan TUF yang lebih baik serta faktor riak yang

sangat rendah pada belitan transformator sekunder, tidak akan

terjadi saturasi magnetisasi DC, karena pada lilitan

sekundernya dialiri oleh arus bolak-balik. Dengan faktor riak

yang rendah ini akan memudahkan untuk membuat filter guna

memperoleh tegangan DC yang benar-benar rata.

13.5 PENYEARAH JEMBATAN TIGA FASA SEMI CONTROL

Penyearah jembatan tiga fasa semi control adalah

mengontrol setengan gelombang saja, yang positif atau

negative. dengan semi control ini harga tegangan dc rata-rata

tidak dapat mencapai harga nol. Pada kontrol penuh, baik

gelombang positif maupun gelombang negative dikontrol

keduanya.

Penyearah semi control ini ditunjukkan pada gambar 13.4 dengan

tegangan dc rata-rata dari penyearah ini adalah :

Vdc=3√32π

Vm ¿ (13.17)

Bila diambil VdQ=3√32π

Vm, maka persamaan (17) menjadi

Vdc=12Vdo¿ (13.18)

Jika sudut overlap diabaikan, maka persamaan (18) menjadi

Vdc=12Vdo [1+cosa ] (13.19)

pada semua fasa adalah sama. Jika besarnya tegangan ke netral

Vp dan arus fasa Ip untuk suatu beban yang terhubung Y, maka

daya 3-fasa total adalah :

P=3VpIpcos∅ (13.20)

Dimana ϕ adalah sudut fasa dengan arus fase tertinggal

terhadap tegangan fasa. Jika VL dan IL berturut-turut adalah

besarnya tegangan antar-saluran dan arus saluran, maka :

Vp=VL√3 dan

Ip=IL (13.21)

Total vars adalah :

Q=3VpIpsin∅ (13.22)

Daya Voltamper dari beban adalah :

|S|=√P2+Q2 = 3VpIp (13.23)

Untuk daya pada saluran transmisi DC adalah :

Pdc=VdcxIdc (13.24)

Dan daya yang diserap oleh beban adalah :

Pbeban=V'dcxI

'dc (13.25)

Gambar 13.4 Konverter Jembatan 3 Fasa Semi Kontrol

13.6 ANALISI RANGKAIAN

DIAGRAM SATU GARIS SALURAN TRANSMISI DC

Gambar 13.5 Diagram Satu Garis Saluran Transmisi Dc

Dari diagram satu garis diatas terlihat bahwa daya yang

disalurkan sebesar 300 MW, tegangan pada sisi penerimaan

converter sebesar 250 kV, jarak saluran transmisi 300 km

dimana akan ditentukan tegangan arus searah pada sisi

pengiriman (sending) converter pada sisi penerimaan.

ANALISI

A. Penyearah Jembatan Tiga Fasa Tanpa Kontrol

Em=√2xVrms=√2x250KV=353,553KV

Tegangan keluaran rata-rata (Vdc) ialah :

Vdo=1,654xEm=1,654x353,553kV=584,777kV

Tegangan efektif pada beban (Vrms) ialah :

Vrms=1,6554xEm=1,6554x353,553kV=585,272kV

PDC=PAC=300MW

Besarnya arus yang akan mengalir melalui kabel ialah :

PDC=VDCxIDC

Transformator

300 KM Transformator

300 MW

R

S

T

AC

DC AC

DC

IDC=Pdc

Vdc= 300MW584,777KV

=513,016Ampere=0,513KA

Regulasi tegangan adalah :

VR=¿Vdo−(IDCxRDC)

= 584,77 - ( 0,0255 x 0,3048 x 300 )

= 584,777 – 1,196 = 583,581 KV

Jatuh tegangan atau Drop Voltage adalah :

∆V = VDC - VR

= 584,777 – 583,581 = 1,196 KV

Dalam persen,

1,196583,581

x100%=0,21%

B. Penyearah Jembatan 3 Fasa Semi Kontrol a=20o

Tegangan keluaran rata-rata(VDC) ialah :

VDC = 12VDO¿

= 12584,777 ¿

= 292,389 x 1,939

= 566,943 KV


IDC=Pdc

Vdc=

300MW566,943KV

=529,154Ampere=0,529KA


VR = VDO – ( IDC x RDC)

= 566,943 – ( 0,529 x 0,0255 x 0,3048 x 300 )

= 566,943 – 1,233 = 565,71 KV


∆V = VDC - VR

= 516,359 – 516,007 = 0,352


∆V = VDC - VR

= 566,943 – 565,71 = 1,233 KV

Dalam Persen,

1,233565,71

x100%=0,218 %

a=40o


VDC = 12VDO¿

= 12584,777 ¿

= 292,389 x 1,766

= 516,359 KV


IDC=Pdc

Vdc= 300MW516,359KV

=580,991Ampere=0,58KA



= 516,359 – ( 0,58 x 0,0255 x 0,3048 x 300 )

= 516,359 – 1,352 = 516,007 KV


∆V = VDC - VR

= 516,359 – 516,007 = 0,352 KV

Dalam Persen,

0,352516,007

x100%=0,068%

a=60o


VDC = 12VDO¿

= 12584,777 ¿

= 292,389 x 1,5

= 438,584 KV


IDC=Pdc

Vdc= 300MW438,584KV

=684,019Ampere=0,684KA



= 438,584 – ( 0,684 x 0,0255 x 0,3048 x 300 )

= 438,584 – 1,595 = 436,989 KV


∆V = VDC - VR

= 438,584 – 436,989 = 1,595 KV

Dalam Persen,

1,595436,989

x100%=0,365%

13.7 KESIMPULAN

Dari hasil analisis di atas dapat disimpulkan sebagai

berikut :

1. Jika semakin besar α penyuluhan pada thyristor, maka

regulasi tegangan akan semakin kecil. Sebaliknya, semakin

kecil α penyuluhan pada thyristor, maka regulasi tegangan

akan semakin besar. Hal ini berlaku hanya jika

menggunakan semi control.

2. Sudut pengoperasian thyristor yang optimal adalah 0 – 60o,

jika dioperasikan antara sudut 60o sampai sudut 120o, maka

system tidak akan optimal. Hal tersebut dikarenakan rugi

daya atau losses pada jaringan yang besar.

BAB XIV

ELEKTRONIKA DAYA DALAM SAKELAR STATIK14.1 PENDAHULUAN

Thyristor dapat dinyalakan dan dimatikan dalam beberapa

mili detik yang bias mengoperasikan sakllar cepat yang bias

menggantikan saklar sirkuit breaker mekanik dan elektro

mekanik. Untuk penggunaan daya dc daya rendah, transistor daya

dapat juga dipakai sebagai saklar-saklar. Saklar static

memiliki keuntungan-keuntungan (contoh : kecepatan pensaklaran

yang tinggi, tidak ada bagian bergerak, dan tidak ada kontak

(Loncatan bunga api) yang terjadi terhadap penutupan.

Sebagai tambahan untuk penggunaan sebagai saklar static

rangkaian thyristor (atau transistor) dapat dirancang untuk

memperoleh, time delay, latching, arus rendah dan lebih dan

pendeteksian tegangan. Transduser untuk pendeteksi mekanik,

listrik, posisi, pendekatan dan lain-lain. Sinyal-sinyal dapat

diperoleh dengan gate untuk Thyristor (atau transistor-

transistor).

Saklar static dpat diklasifikasikan ke 2 tipe yaitu Saklar AC

dan Saklar DC

1. Saklar AC dibagi atas satu fasa dan tiga fasa

Dalam hal sebagai saklar AC, thyristor0thyristor adalah

komutasi tipe natural dan kecepatan pensaklaran dibatasi

oleh frekuensi dari sumber AC dan waktu pematikan dari

thyristor-thyristor.

2. Saklar DC adalah komutasi paksa dan kecepatan pensaklaran

tergantung pada rangkaian komutasi dan waktu pematikan

dari thyristor.

Saklar DC dan saklar AC dapat dilihat pada gambar 14.1 yang

merupakan suatu gambaran prinsip dasar suatu saklar static

~~

Vo (t)Io (t)

Vi (t)Ii (t)

Saklar Statik AC

=

Vi (t)Ii (t)

Vo (t)Io (t)

Saklar Statik DC

Gambar 14.1 Prinsip dasar saklar static

14.2 ANALISIS TIPE-TIPE SAKLAR STATIS

14.2.1 Single – Phase AC – Switches

Bilamana

i (t )=ℑsinωt (14-1)

Is=[ 22π∫0π

ℑ2sin2ωtdωt]1 /2

= ℑ

√2(14-2)

Is=22π∫0

π

ℑsinωtd (ωt)= ℑπ (14-3)

Irms=[ 22π∫0π

ℑ2sin2ωtd (ωt)]1 /2

= ℑ2

(14-4)

Rangkaian seperti pada gambar 11.1(a), dimana dua

thyristor dihubungkan ddalam parallel. Thyristor T1 dinyalakan

pada ωt = 0, dan thyristor T2 dinyalakan pada ωt = π. Tegangan

= =

keluaran adalah sama tegangan masuk thyristor beraksi sebagai

saklar-saklar adalah komutasi Line. Gelombang-gelombang untuk

tegangan input tegangan ouput, arus keluaran seperti pada

gambar 14.1(b). Dengan beban induktif T1 akan menyala bila arus

lewat melalui zero crossing selama setengah siklus positif

dari tegangan input T2 menyala pada saat arus lewat melalui

zero crossing selama setengah siklus negative dari tegangan

input. Pulsa trigger untuk T1

14.2.2 Analisa Tipe-Tipe Yang Lain

a. Single Phase Bridge Diode and Thyristor AC – Switch

b. Single Phase Bridge Rectifier and Thyristor AC – Switch

Bilamana arus line instantaneous adalah (t )=Imsinωt , maka

persamaan (14.1), diperoleh Is=[ 22π∫0πIm

2sin2ωtd(ωt)]1/2

=Im

√2 , dan

Iav=Im

π, serta Irms=

Im2

sesuai dengan rumus (14.2) dan rumus

(14.3)

c. AC Switch 3 Phase

Gambar 14.5 Sakelar AC – 3 Phase

14.3 SAKELAR STATIK TIPE DC

Tegangan input adalah DC-- Transistor Daya, Thyristor

dapat dipakai

Gambar 14.6 Sakelar Statik Tipe DC

Pada gambar 14.7 berikut beberapa tipe-tipe AC solid state.

Relay dan DC solid state relay yang terkait fungsi dan

penggunaanya.

a) DC Solid State – Relay

b) AC Solid State - Relay

Gambar 14.7 AC dan DC Solid State Relay

14.4 RANCANGAN DARI STATIC SWITCHES

Sakelar Solid State adalah cocok untuk komersial denganmembatasi tegangan dan arus dengan rating antara 1 A – 50 A,tegangan sampai 440 Volt. Kalau perlu merancang SSR ( StaticSwitches Relay ). Sesuai dengan keinginan, rancangan sederhanadiinginkan menghitung rating tegangan dan arus sesuai denganpiranti daya

Prosedur Rancangan Sebagai Berikut

Contoh :

i (t )=VS√LC sinωtVL (t )=VS¿

dimana ω=1

√LC

setelah t=t0=π√LC, arus pelepasan menjadi zero, dan

1 ϕ AC Switch seperti gambar dipaki 120 V 60 Hz dan bebaninduktif, Daya beban 5 KW pf = 0,88 ( lagging)

a) Hitung rating V dan I dari Thyristorb) Hitung sudut penyalaan thyristor

P0 = 5 kw = 5000 W , pf = 0,88 lag, Vs = 120 v

a) P0=√3VIcos∅ Im=√2P0

Vcos∅= √2.5000120x0,88=66,96A

persamaan (5.2) Iav=Im

π¿

Irms=[ 12π∫0πIm

2sin2ωtdωt]1/2

=Im

2

Iav=66,96π

=21,31A

Irms=66,962

=33,48A

PIV=√2x120=169,7v

b) cos ϕ = 0,88 ϕ = 28,36o

sudut penyalaan dari T1 = α1 = 28,360 T2 - α2 = 180 +28,360

Contoh Soal :Sebuah AC Switch 1 ϕ seperti gambar 5.1a dipakai pada 120 V,60 Hz sebagai sumber. Beban induktif daya beban 5 kw, pf = 0,88laggingHitung:

a) Tegangan dan arus rating pada thyristorb) Sudut penyalaan Thyristor

I. Analisis:

a. Diketahui : AC Switch 1 ϕ Vs = 120 V, f = 60 Hz, P = 5kw, pf = 0,88 lag

b. Ditanyakan : 1. rus dan tegangan rating 2. SudutPenyalaan

II. Rencana :

Po=√3VIcos∅ Im=√2Po

Vcos∅

Irms=Imπ

Iav=12π∫0

πImsinωtdωt=

Im

π

Irms=[ 12π∫1π

Im2sin2ωtdωt]

1 /2

=Im2

PIV=√2xVs

III. Penyelesaian :

a) Im=√2P0

Vcos∅= √25000120x0,88=66,96A

Iav=66,96π

=21,31A

Irms=66,962

=33,48A

PIV=√x120=169,7Vb) Cos ϕ = 0,88 ϕ = 28,360

T1 = α1 = 28,360 T2 - α2 = 180 + 28,360 = 208,30

14.5 KESIMPULAN

Sakelar solid state AC – DC memiliki sejumlah keuntungan

terhadap sakelar / relay yang konventional. Setelah dibuat

semikonduktor dan rangkaian terintegrasi sakelar state dapat

dihitung dengan range luas. Pada penggunaan control industry.

Sakelar stattik dapat diintegrasi dengan digital atau system

control computer.

elektronika Daya

Documents

Transcript of elektronika Daya