Upload
yanuar-alfa
View
25
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
komputasi daya
Citation preview
Daya dan Energi
Daya sesaat pada suatu divais adalah
merupakan perkalian antara tegangan dan
arus pada divais tersebut
Daya sesaat pada umumnya adalah
merupakan besaran varian-waktu.
)()()( titvtp
2
kesepakatan penandaan seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2-1, tanda positif pada
p(t) berarti divais menyerap daya sedangkan
tanda negative berarti divais mencatu daya.
3
Energi
Energi atau Usaha (Kerja) adalah integral daya
sesaat.
Energi yang diserap oleh sebuah komponen
pada interval waktu dari t1 hingga t2 adalah :
Bila v(t) dalam volt dan i(t) dalam ampere, maka
satuan daya dalam watt dan energi dalam joule
2
1)(
t
tdttpW
4
Daya Rata-rata
Daya rata-rata adalah waktu rata-rata dari
p(t) dalam satu atau lebih periode. Daya
rata-rata adalah :
T adalah periode dari bentuk gelombang daya
Daya dapat juga diperoleh dari energi
dalam satu periode
Tt
t
Tt
tdttitv
Tdttp
TP
0
0
0
0)()(
1)(
1
5
Daya rata-rata kadang-kadang sering juga
disebut sebagai daya nyata atau daya
aktif, khususnya dalam rangkaian arus
bolak-balik
T
WP
6
Contoh 2-1
Tegangan dan arus pada sebuah divais ditunjukkan pada gambar 2-
2a dan b. (a) Tentukan daya sesaat p(t) yang diserap oleh divais. (b)
Tentukan daya yang diserap oleh divais dalam satu periode. (c)
Tentukan daya rata-rata yang diserap oleh divais.
7
Solusi :
Daya sesaat dapat dihitung dengan mnggunakan persamaan (2-1). Tegangan dan arus dinyatakan sebagai :
Daya sesaat, ditunjukkan pada gambar 2-2c adalah hasil kali tegangan dan arus :
msttv
msttv
20100)(
10020)(
mstAti
mstAti
20615)(
6020)(
msttp
msttp
msttp
2000)(
100300)(
60400)(
8
(b) Energi yang diserap oleh divais dalam satu periode ditentukan dari persamaan 2-2
Daya rata-rata dapat juga dihitung dengan
menggunakan persamaan (2-4)
006,0
0
10,0
006,0
020,0
010,002.12,14,20300400)( JdtdtdtdttpW
T
(c) Daya rata-rata ditentukan dari persamaan (2-3)
W
dtdtdtdttpT
PT
60020,0
02,14,2
0300400020,0
1)(
1 006,0
0
10,0
006,0
020,0
010,00
Ws
J
T
WP 60
020,0
2,1
9
Sebuah kasus kusus yang sering dijumpai
dalam elektronika daya adalah daya yang
diserap atau dicatu dari sumber dc,
sebagai contoh adalah rangkaian pengisi
baterai dan catu daya dc. Daya rata-rata
yang diserap oleh sumber tegangan dc
v(t)=Vdc yang mempunyai periode arus i(t)
diperoleh dari definisi dasar daya rata-rata
persamaan (2-3)
10
Atau
Bagian dalam kurung persamaan diatas
adalah rata-rata bentuk gelombang arus.
Maka daya rata-rata yang diserap oleh
sumber dc adalah hasil perkalian antara
tegangan dan arus rata-rata :
Tt
tdc
Tt
tdc dttiV
Tdttp
TP
0
0
0
0)(
1)(
1
Tt
tdcdc dtti
TVP
0
0)(
1
.avgdcdc IVP 11
Induktor dan Kapasitor
Induktor dan kapasitor mempunyai beberapa
karakteristik yang sama pentingnya dalam
aplikasinya pada elektronika daya. Untuk arus
dan tegangan yang periodik :
Energi yang tersimpan dalam inductor adalah :
)()(
)()(
tvTtv
tiTti
)(2
1)( 2 tLitw
13
Bila arus inductor periodik, energi yang
tersimpan diakhir periode sama dengan
diawal periode. Tidak nampak adanya
energi yang ditransfer, sehingga daya
rata-rata yang diserap oleh inductor
adalah nol pada operasi steady-state
periodik.
0LP
14
Daya sesaat tidak nol, karena daya yang
diserap selama setengah periode dan
dikembalikannya kerangkaian selama
setengah periode yang lain.
Hubungan antara tegangan dan arus pada
inductor adalah :
Tt
tL tidttv
LTti
0
000 )()(
1)(
15
Dengan penyusunan kembali dan diketahui
bahwa nilai-nilai awal dan akhir sama untuk
periode arus :
Dengan mengalikan L/T persamaan tersebut,
diperoleh persamaan tegangan pada inductor
dalam satu periode :
Tt
tL dttv
LtiTti
0
000 0)(
1)()(
Tt
tLLL dttv
TVtvavg
0
00)(
1)(
16
Dapat disimpulkan bahwa untuk arus yang periodik, tegangan rata-rata pada inductor adalah nol.
Untuk kapasitor, energi yang tersimpan adalah :
Bila tegangan kapasitor periodik, energi yang tersimpan diakhir periode sama dengan diawal periode. Oleh karenanya, Energi yang diserap oleh kapasitor adalah nol untuk kondisi operasi steady-state periodik.
)(2
1)( 2 tCvtw
0CP17
Hubungan antara arus dan tegangan pada
kapasitor :
Dengan menyusun kembali persamaan
diatas, bahwa nilai awal dan nilai akhir
adalah sama untuk tegangan yang
periodik
Tt
tC tvdtti
CTtv
0
000 )()(
1)(
Tt
tC dtti
CtvTtv
0
000 0)(
1)()(
18
Dengan mengalikan C/T dari persamaan
tersebut, diperoleh persamaan arus rata-
rata pada kapasitor dalam satu periode :
Dapat disimpulkan bahwa untuk tegangan
yang periodik, tegangan rata-rata pada
kapasitor adalah nol.
Tt
tCCC dtti
TItiavg
0
00)(
1)(
19
Contoh 2-2
Arus yang mengalir pada inductor 5 mH ditunjukkan pada gambar 2-3a adalah berbentuk gelombang segitiga periodik seperti yang ditunjukkan pada gambar 2-3b. Tentukan tegangan, daya sesaat dan daya rata-rata pada inductor.
Solusi :
Tegangan pada inductor dapat dihitung dari yang ditunjukkan pada gambar (c). Tegangan rata-rata pada inductor adalah nol seperti tampak pada gambar (c). Daya sesaat pada inductor dapat ditentukan dari yang ditunjukkan pada gambar (d). Ketika p(t) positif, inductor menyerap daya dan ketika p(t) negative inductor mencatu daya. Daya rata-rata pada inductor adalah nol.
20
Pengembalian Energi
(Energy Recovery)
Induktor dan kapasitor dapat menyimpan
dan melepaskan energi dalam aplikasi-
aplikasi elektronika daya.
22
Dari gambar terlihat bahwa inductor (ideal)
menyimpan energi pada saat transistor di
nyalakan. Transistor dan diode diasumsikan
ideal. Pada saat Transistor dipadamkan, energi
yang tersimpan dalam inductor dilepaskan
melalui diode dan resistor. Bila tidak terdapat
lintasan pelepasan energi (diode-resistor),
maka transistor akan rusak pada saat
dipadamkan karena penurunan arus inductor
yang sangat cepat akan menyebabkan
tegangan tinggi yang terjadi pada transistor dan
inductor
23
Transistor nyala (on) : 0<t<t1
transistor mendapatkan tegangan balik ketika
dinyalakan seperti gambar b
Arus pada inductor
Arus sumber = arus inductor, arus inductor
dan sumber naik secara linier ketika transistor
dinyalakan
ccL Vv
L
VdV
Lidv
Lti cc
t
cc
t
LLL 000
1)0()(
1)(
)()( titi Ls 25
Transistor padam : t1<t<T
Transistor padam dan diode konduksi
(gambar c). Arus sumber nol, arus yang
mengalir pada inductor dan resistor turun
secara eksponensial dengan konstanta waktu
L/R
Kondisi awal arus inductor
Atau
L
tVti cc
L
1)(
TtteL
tVetiti ttcctt
LL
1
)1(1)1(
1 ,)()(
R
L
26
Arus sumber nol ketika transistor padam
Daya rata-rata yang dicatu oleh sumber dc
selama periode pensaklaran
0si
LT
tV
Tdt
L
tV
TV
dttiT
VIVP
ccT
t
tcc
cc
T
sCCSSS
20
11
)(1
2
11
1
1
0
0
27
Daya rata-rata yang diserap oleh resistor
adalah dengan mengintegrasikan
persamaan daya sesaat pada resistor.
Daya rata-rata yang diserap inductor nol,
dan daya rata-rata yang diserap oleh
transistor dan diode (ideal) adalah nol.
Maka semua daya yang dicatu oleh
sumber harus diserap oleh resistor :
LT
tVPP cc
SR2
2
1
28
Energi puncak yang tersimpan pada
inductor :
Energi yang tersimpan dalam inductor
ditransfer ke resistor ketika transistor
dipadamkan. Daya yang diserap oleh
resistor dapat ditentukan oleh :
T
tV
L
tVLtLiW cccc
22
1)(
2
12
1
2
1
1
2
LT
tV
T
WP cc
R2
2
1
29
Fungsi resistor pada rangkaian tersebut
digunakan untuk menyerap energi yang
tersimpan dalam inductor dan
mengamankan transistor (energi tersebut
diubah dalam bentuk panas yang
merupakan rugi-rugi daya dalam
rangkaian).
Cara lain untuk menghilangkan energi
yang tersimpan pada inductor ditunjukkan
pada gambar 2.5a.
30
Dua buah transistor dinyala-padamkan
secara simultan. Diode digunakan untuk
mengembalikan energi yang tersimpan
dalam inductor ke sumber.
Dengan asumsi bahwa transistor
dinyalakan pada t=0 dan dipadamkan
pada t=t1
Transistor nyala : 0<t<t1
Ketika transistor nyala, diode reverse dan
tegangan pada inductor sama dengan
tegangan sumber Vcc (gambar 2.5b)
32
Arus inductor
Arus sumber sama dengan arus inductor
Tampak bahwa arus sumber dan inductor
naik secara linier ketika transistor dinyalakan
CCL VV
L
VdV
Lidv
Lti cc
t
cc
t
LLL 000
1)0()(
1)(
)()( titi Ls
34
Transistor dipadamkan : t1<t<T
Ketika transistor dipadamkan, diode forward
yang akan memberikan lintasan arus inductor
(gambar 2.5.c). Tegangan pada inductor
menjadi berlawanan arah dengan tegangan
sumber.
Pernyataan arus inductor diperoleh dari
hubungan antara arus dan tegangan :
CCL VV
111
1
11 )(
1)()(
1)( ttt
L
V
L
tVdV
Ltidv
Lti cc
t
t
cccc
t
tLLL
35
Atau
Arus pada inductor turun dan menjadi nol
pada saat t=2t1, pada saat ini diode padam.
Arus inductor akan bertahan nol hingga
transistor dinyalakan kembali.
Arus sumber berlawanan arah dengan arus
induktorketika transistor padam dan diode
nyala :
111 2,2)( tttttL
Vti cc
L
)()( titi Ls
36
Sumber menyerap daya ketika arus sumber
negative. Arus rata-rata sumber nol, maka
daya rata-rata sumber nol.
Sumber mencatu daya ketika transistor nyala,
dan sumber menyerap daya ketika transistor
padam dan diode nyala. Oleh karenanya
energi yang tersimpan dalam inductor
dikembalikan dengan mentransfernya kembali
ke sumber.
37
Contoh 2-3 :
Rangkaian seperti pada gambar 2-4a
mempunyai Vcc=90 V, L=200 mH, R =20 Ω,
t1=10 ms, dan T=100 ms. Hitunglah (a) Arus
puncak dan energi puncak yang tersimpan
dalam inductor, (b) daya rata-rata yang diserap
oleh resistor, dan (c) daya puncak dan rata-rata
yang dicatu oleh sumber. (d) Bandingkan hasil-
hasilnya dan apa yang akan terjadi jika cara
pemberian energi/pengenergian (energized)
pada inductor menggunakan rangkaian gambar
2-5a.
38
a). Arus inductor ketika transistor dinyalakan
Arus puncak inductor dan energi yang tersimpan
b). Konstanta waktu arus ketika transistor padam
L/R = 200 mH/20 ohm = 10 ms, sehingga
periode konduksi transistor 90 ms. Sehingga
semua energi yang tersimpan pada
induktor ditransfer keresistor :
mstAtttL
Vti cc
L 1004502,0
90)(
AtiL 5,4)01,0(450)( 1
JtLiWL 025,2)5,4)(2,0(2
1)(
2
1 2
1
2
39
Daya rata-rata yang diserap resistor
c). Daya sesaat yang dicatu sumber
Nilai maksimumnya 405 W pada t=10ms
Daya rata-rata yang dicatu sumber :
JWW LR 025,2
Ws
J
T
WP R
R 25,201,0
025,2
mstuntukWttAVtitvtP sss 100,500.10)450)(90()()()(
mstmsuntuktitvtP sss 10010,0)()()(
WdttdtdttpT
PT
ss 25,200500.401,0
1)(
1 01,0
0
1,0
01,00
40
Atau :
Sehingga daya rata-rata :
d). Bila induktor diberi energi, maka arus induktor
As
AsI s 225,0
1,0
)5,4)(01,0(
2
1
WAVIVP sccs 25,20)225,0)(90(
mstuntukti
mstuntukAtti
mstuntukAtti
L
L
L
100200)(
20109450)(
100450)(
41
Arus sumber mempunyai bentuk seperti pada
gambar 2.5d dan dapat dinyatakan sebagai :
Daya sesaat yang dicatu oleh sumber adalah :
Arus rata-rata sumber adalah 0, dan daya rata-rata
sumber adalah nol. Daya puncak sumber adalah
arus puncak kali dengan tegangan puncak yaitu
405W, seperti pada bagian (c)
mstuntukti
mstuntukAtti
mstuntukAtti
s
s
s
100200)(
20109450)(
100450)(
mstuntuktitp
mstuntukWttitp
mstuntukWttitp
ss
ss
ss
100200)()90()(
2010810500.40)()90()(
100500.40)()90()(
42
Nilai-nilai efektif
(root mean square values)
Nilai efektif tegangan dan arus dikenal
sebagai root mean square atau rms. Nilai
efektif bentuk gelombang periodik adalah
didasarkan pada daya rata-rata yang
dikirim ke resistor.
Daya untuk tegangan dc pada resistor :
R
VP dc
2
43
Tegangan efektif periodik pada resistor
Daya rata-rata pada resistor
Maka daya rata-rata
R
VP
eff
2
44
Atau
Sehingga menghasilkan pernyataan
tegangan efektif atau rms :
Arus rms yang dihasilkan dari :
T
rmseff dttvT
VV0
2 )(1
T
rms dttiT
I0
2 )(1
RIP rms
2
45
Contoh 2-4
Tentukan nilai rms dari bentuk gelombang
pulsa periodik yang mempunyai duty ratio
(D), seperti yang ditunjukkan pada gambar
2.6.
46
Solusi :
Dari gambar terlihat pernyataan tegangan
Nilai rms bentuk dari gelombang tsb :
Contoh 2-5
Tentukan nilai rms dari (a) tegangan sinusoida , (b) penyearah gelombang penuh sinus , dan (c) penyearah setengah gelombang sinus untuk 0<t<T/2 dan nol untuk yang lain.
TtDTuntuktv
DTtuntukVtv m
0)(
0)(
DVDTVT
dtdtVT
dttvT
V mm
DT T
DTm
T
eff
2
0
22
0
2 10
1)(
1
47
Solusi :
a). Nilai rms tegangan sinusoidal
b). Kuadrat fungsi sinus identik dengan kuadrat gelombang sinus penyearah gelombang penuh, sehingga nilai rms dua bentuk gelombang adalah identik :
2
m
rms
VV
48
c). Penyearah setengah gelombang
sinusoid :
d). Kuadrat dari fungsi yang mempunyai
setengah luas dari fungsi bagian (a) dan
(b). Maka :
Atau :
49
Bagian terakhir dari sebelah kanan
persamaan tersebut adalah nilai rms
gelombang sinus, , sehingga nilai rms
gelombang sinus dari penyearah setengah
gelombang adalah :
(a) Gelombang sinus
2/mV
50
Daya nyata dan Faktor daya
Daya nyata, S.
Daya nyata adalah hasil perkalian antara besara-besaran tegangan rms dan arus rms dan sering digunakan sebagai data spesifikasi peralatan (contoh transformator).
Pada rangkaian bolak-balik (rangkaian linier dan sumber sinusoidal) daya nyata adalah besarnya dari daya kompleks.
rmsrmsIVS
52
Faktor daya.
Faktor daya beban didefinisikan sebagai perbandingan antara daya rata-rata dan daya nyata :
Pada rangkaian bolak-balik sinusoidal, factor daya, pf = cos(θ), dimana θ sudut antara tegangan dan arus sinusoidal. (hanya berlaku untuk teganngan dan arus sinusoidal)
rmsrmsIV
P
S
Ppf
53
Perhitungan daya untuk
rangkaian ac sinusoidal
Daya sesaat dan daya rata-rata untuk
rangkain ac :
Daya sesaat :
54
Dengan menggunakan trigonometri
Maka daya rata-rata :
Bagian pertama dari integrasi diatas fungsi
kosinus dan sama dengan 0, integrasi
bagian kedua dengan nilai rata-rata cos
55
Maka daya rata-rata dalam suatu elemen
pada sebuah rangkaian ac :
Atau
Dimana :
dan adalah sudut fasa antara
tegangan dan arus
2/,2/ mrmsmrms IIVV
56
Daya reaktif :
Daya kompleks pada rangkaian ac :
Dimana Vrms dan Irms merupakan besaran kompleks yang sering dinyatakan sebagai fasor (sudut dan magnitude), dan Irms* adalah kompleks konjugit dari fasor arus.
Daya nyata (apparent power) dalam rangkaian ac adalah besarnya (magnitude) dari daya kompleks :
57
Perhitungan daya untuk bentuk
gelombang periodik nonsinusoidal
Rangkaian elektronika daya secara tipikal
mempunyai tegangan dan atau arus yang
periodik tetapi tidak sinusoidal. Deret
Fourier dapat digunakan untuk
mendeskribsikan bentuk gelombang
periodik nonsinusoidal. Hubungan daya
pada rangkaian ini dapat dinyatakan
dalam komponen-komponen dari deret
Fourier.58
Deret Fourier
Deret Fourier fungsi periodik f(t) dapat
dinyatakan dalam bentuk trigonometri :
dimana :
59
Sinus dan kosinus pada frekuensi yang
sama dapat dikombinasikan menjadi satu
sinusoid, sehingga menghasilkan :
Atau :
60
Bagian ao adalah konstanta yaitu nilai rata-rata
dari f(t) dan menyatakan sebuah tegangan atau
arus dc pada aplikasinya. Koefisien C1 adalah
merupakan amplitude dari frekeunsi
fundamental ω0. Koefisien C2, C3 …. adalah
amplitudo dari frekuensi harmonik yang
mempunyai frekuensi 2ω0, 3ω0, ...
Nilai rms f(t) dapat dihitung dari deret Fourier :
61
Daya rata-rata
Bila bentuk gelombang tegangan dan arus
periodik dinyatakan dengan bentuk deret Fourier
:
maka daya rata-rata dihitung dari persamaan 2-
3 :
62
Nilai rata-rata bagian dc adalah. Nilai
rata-rata hasil perkalian antara tegangan
dan arus pada frekuensi yang sama
dideskripsikan oleh persamaan 2-49, dan
nilai rata-rata hasil perkalian antara
tegangan dan arus pada frekuensi yang
berbeda adalah nol. Sehingga, daya rata-
rata untuk bentuk gelombang tegangan
dan arus periodik nonsinusoidal adalah :
63
ooIV
Catatan : bahwa daya rata-rata total
adalah jumlah daya-daya pada frekuensi-
frekuensi dalam deret Fouriernya.64
Sumber Nonsinusoidal
dan Beban Linier
Bila tegangan periodik sinusoidal diberikan ke sebuah beban elemen linier, daya yang diserap oleh beban dapat ditentukan dengan menggunakan superposisi.
Tegangan periodik nonsinusoidal ekivalen dengan kombinasi seri dari deret fourier tegangan seperti yang digambarkan pada gambar 2-10.
Arus pada beban dapat ditentukan menggunakan superposisi dan persamaan 2-59 dapat digunakan untuk menghitung daya rata-rata.
65
Contoh 2-9 :
Tegangan periodik nonsinusiodal yang
mempunyai deret Fourier
V. Tegangan ini
dihubungkan dengan beban yang terdiri dari
resistor 5 Ohm dan inductor 15mH terhubung
seri seperti pada gambar 2-11. Hitunglah daya
yang diserap oleh beban.
)50604cos(30)25602cos(2010)( tttf
67
Solusi :
Arus pada setiap frekuesi sumber dihitung
secara terpisah. Bagian arus dc adalah :
Amplitudo bagian arus rms dihitung dari
analisis fasor :
68
Arus beban dapat dinyatakan sebagai :
Daya pada masing-masing frekuensi dalam deret Fourier ditentukan dari persamaan 2-59 :
bagian dc : Po = (10V)(2A) = 20 W
Daya total
P = 20+17,4+14,8 = 52,2W
69
Daya yang diserap oleh beban dapat juga
dihitung dari Irms2 R dalam rangkaian ini
karena daya rata-rata pada inductor
adalah nol :
70
Sumber sinusoidal dan beban nonlinier
Jika sumber tegangan sinusoidal diberikan
ke beban nonlinier maka bentuk
gelombang arus tidak akan sinusoidal dan
dapat dinyatakan dengan deret Fourier.
Bila tegangan sinusoidal :
dan arus dinyatakan dengan deret Fourier
71
maka daya rata-rata yang diserap beban (atau
yang dicatu oleh sumber ) dihitung dari
persamaan 2-59 adalah :
Faktor daya beban dapat dihitung dari
persamaan 2-42 :
72
dimana arus rms dihitung dari :
Tampak bahwa untuk tegangan sinusoidal
dan arus sinusoidal, , yang
merupakan factor daya yang umum
dipakai dalam rangkaian linier dan disebut
dengan factor daya pergeseran
(displacement power factor).
11cos pf
73
Perbandingan antara nilai rms frekuensi fundamental terhadap nilai total rms (I1,rms/Irms) pada persamaan 2-63 disebut dengan factor distorsi (distortion factor)
Faktor distorsi adalah merepresentasikan reduksi pada factor daya karena sifat arus yang nonsinusoidal. Faktor daya juga dinyatakan sebagai :
74
Distorsi harmonisa total (Total Harmonic
Distortion- THD) adalah bentuk lain untuk
menyatakan besarnya sifat-sifat
nonsinusoidal bentuk gelombang.
THD adalah rasio antara nilai rms semua
bagian frekuensi nonfundamental
terhadap nilai rms bagian frekuensi
fundamental.
75
THD ekivalen dengan
THD sering digunakan dalan situasi
dimana bagian dc nol.
Cara lain untuk menyatakan factor distorsi
:
76
Daya reaktif untuk tegangan sinusoidal dan arus
nonsinusoidal dapat dinyatakan seperti pada
persamaan 2-50. Hanya bagian yang tidak nol
saja untuk daya reaktif :
Dengan P dan Q didefinisikan untuk kasus
nonsinusoidal, daya nyata S harus
memmasukkan bagian pada frekuensi yang
berbeda dalam perhitungannya. Distorsi Volt
Ampere (Distortion Volt Ampere-D), biasanya
digunakan untuk menghitung S,
77
dimana
Bagian yang lain kadang-kadang
digunakan untuk tegangan atau arus
nonsinusoidal yang disebut dengan Form
Factor dan Crest Factor
78
Contoh 2-10 :
Sebuah sumber tegangan sinusoidal
diberikan ke beban nonlinier menghasilkan
arus nonsinusoidal yang dinyatakan dalam
bentuk deret Fourier :
Hitunglah : (a) daya yang diserap oleh
beban. (b) factor daya beban. (c) factor
distorsi arus beban, dan (d) distorsi
harmonisa total (THD) arus beban.
79
Solusi :
a). Daya yang diserap oleh beban
ditentukan dengan menghitung daya
yang diserap pada masing-masing
frekuensi dalam deret Fouriernya
(persamaan 2-59) :
b) Tegangan rms :
80
dan arus rms dihitung dari persamaan 2-
64 :
Faktor daya
Atau factor daya dapat dihitung dari
persamaan 2-63 :
81