Konverter AC-DC Terkendali
Elektronika Daya
Penulis [email protected]
A. Objektif
Setelah pelajaran ini diharapkan mahasiswa mampu: 1. Menjelaskan prinsip kerja dari penyearah terkendali 1 fasa dan 3 fasa sebagai
konverter penghasil tegangan dc variable 2. Mendeskripsikan penerapan Thyristor pada proses pengendalian tegangan keluaran
penyearah
3. Menganalisis dan mengevaluasi unjuk kerja dari penyearah terkendali. 4. Mengevaluasi factor kerja penyearah dan pengaruh distorsi harmonisa dari arus
masukan pada penyearah terkendali. 5. Menentukan besarnya tapis (filter) yang dibutuhkan pada penyearah terkendali
B. Penyearah 1 Fasa Terkendali
Seperti telah dijelaskan pada modul terdahulu bahwa pada penyearah
dengan dioda sebagai komponen pensakelaran akan menghasil tegangan
keluaran yang tetap. Dalam hal ini untuk mengendalikan/ mengatur
tegangan keluaran penyearah hanya dapat dilakukan dengan menggunakan
komponen pensakelaran yang memungkinkan untuk mengatur tegangan fasa
keluaran.
Tegangan keluaran dari penyearah ini dapat diatur/ dikendalikan dengan
menvariasikan besarnya sudut perlambatan penyalaan dari komponen
Lisensi Dokumen Copyright 2008 ft.unp.ac.id Seluruh dokumen di e-learning FT UNP Padang dapat digunakan secara bebas oleh mahasiswa peserta e-learning untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari penulis naskah dan admin e-learning FT UNP Padang.
thyristor.
Komponen pensakelaran thyristor dinyalakan dengan cara memberikan
tegangan pulsa sesaat (Vg) yang cukup pada kaki gate. Sementara proses
pemadamannya dilakukan dengan pemadaman secara natural, yaitu
pemadaman dengan cara memberikan tegangan arah balik Vak(-) pada
thyristor pada saat arus anoda katoda tepat sama dengan nol.
Penyearah terkendali biasa juga disebut dengan converter ac-dc terkendali
dan digunakan secara luas untuk keperluan industri.
Terdapat dua jenis penyearah terkendali, yaitu: 1. penyearah terkendali 1 fasa (Single phase converters)
2. Penyearah terkendali 3 fasa (Three-phase converters)
Setiap jenis converter ac-dc terkendali dapat dikategorikan menjadi:
3. Konverter ac-dc semi terkendali (semiconverter)
4. konverter ac-dc terkendali penuh (full converter)
5. konverter ac-dc ganda (dual ac-dc converter)
Konverter semi terkendali merupakan converter ac-dc 1 kuadran, dan hanya
mempunyai 1 polaritas positif untuk tegangan dan arus keluaran.
Konverter terkendali penuh sistem jembatan merupakan converter 2
kuadran, yang memungkinkan tegangan mempunyai polaritas positif (+)
atau negative (-), sementara arus keluaran hanya mempunyai polritas positif
(+).
Konverter ganda (dual converter) merupakan converter 4 kuadran, yang
memungkinkan tegangan dan arus keluaran mempunyai polaritas positif,
ataupun negative.
1. Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang
Gambar 5.1 berikut ini menunjukkan rangkaian daya dari suatu
penyearah 1 fasa gelombang dengan beban resistor (R). Untuk
setengah siklus positif dari tegangan sumber thyristor T mengalami
tegangan arah maju yang menyebabkan thyristor konduksi (on state),
dan akan aktif mulai dari t = dan menyebabkan mengalirnya arus
pada beban, sekaligus menyebabkan tegangan pada sisi beban R. Bila
tegangan masukan berubah arah ke negative pada t = , thyristor mengalami tegangan arah balik dan menyebabkan thyristor berubah dari
keadaan on ke keadaan off (off state). Sudut perlambatan penyalaan ,didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh tegangan masukan berubah menjadi negatife dimana pada saat tersebut thyristor dinyalakan.
Gambar 5.1 Penyearah Terkendali 1 fasa Gelombang beban Resistor (R)
Tegangan rata-rata keluaran Vdc ditentukan dengan persamaan berikut:
The average output voltage Vdc is given by
Tegangan keluaran Vdc dapat divariasikan dari Vm/ to nol volt dengan cara memvariasikan sudut perlambatan penyalaan dari nol sampai
dengan Selanjutnya besarnya tegangan rms diberikan melalui persamaan:
Contoh Soal
Konverter ac-dc terkendali seperti gambar berikut dibebani dengan beban
resistof dan sudut perlambatan penyalaan 2 , Tentukan:
a. tegangan dc keluaran
b. arus beban
c. daya yang diserap beban
d. daya masukan pada sisi ac
Vs = Vm sin t
Solution
sudut perlambatan penyalaan 2
Vdc = 0.1592 Vm
2. Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang Penuh
Penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh merupakan
pengembangan dari penyearah 1 fasa gelombang. Penyearah ini terdiri
dari empat buah komponen pensakelaran yang dapat dikendalikan secara
berpasang-pasangan. Penyearah jenis ini pada umumnya banyak
digunakan untuk menghasilkan catu daya teregulasi dengan kemampuan
yang relatif lebih kecil. Gambar 5.3 merupakan rangkaian daya dari suatu
penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh dengan beban yang
dominan induktif, sehingga bentuk arus yang mengalir pada sisi beban
canderung merupakan arus dc rata. Thyristor T1 and T2 mengalami
tegangan arah maju selama setengah siklus dari tegangan sumber. Bila ke
dua thyristor dinyalakan secara bersamaan pada t = , maka beban dihubungkan pada sumber melalui T1 dan T2. Thyristors T1 dan T2 akan
terus mengantar pada daerah t = sebagai akibat penggunaan jenis beban dominan induktif. Selama setengah silus negatif, thyristor T1 dan T2
akan mengalami tegangan arah maju, dan pada saat t = + thryristor T1 dan T2 akan mengalami tegangan arah balik (reversed biased) dan akan
pada (off) bersamaan dengan terjadinya komutasi alami dari tegangan
sumber. Selanjutnya pada periode t , tegangan dan arus masukan akan bernilai positif dan akan mengali menuju beban. Mode operasi
konverter pada kondisi ini adalah mode penyearah (rectification mode).
Gambar 5.3 Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang Penuh Beban Dominan Induktof
Seperti pada gambar pada periode t + , tegangan masukan akan bernilai negatif, arus masukan bernilai positif yang
menghasilkan daya mengalir pada beban dari sumber. Dalam hal ini
konverter beroperasi pada mode pembalik tegangan (inverter mode).
Konverter ini dapat menyulai daya dengan operasi 2 kuadrant dimana
tegangan keluaran dapat bernilai positif, ataupun negatif dan sangat
ditentukan oleh nilai sudut perlambatan penyalaan.
Tegangan keluaran rata-rata dinyatakan persamaan:
Tegangan keluaran dapat divariasikan dalam range 2Vm/ sampai dengan -2Vm/ dengan cara memvariasikan sudut perlambatan penyalaan dari 0 sampai dengan . Besarnya tegangan efektif keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan:
3. Penyearah 3 Fasa Gelombang
Penyearah terkendali 3 fasa gelombang menghasilkan
tegangan keluaran pada sisi beban yang lebih tinggi dibandingkan dengan
penyearah 1 fasa sistem jembatan. Demikian juga frekuensi riak tegangan
keluaran converter ac-dc 3 fasa lebih tinggi dibandingkan dengan
penyearah terkendali fasa tunggal. Gambar 5.4 memperlihatkan
gelombang tegangan masukan dan keluaran penyearah 3 fasa
jembatan. Seperti pada gambar 5.4, thyristor T1 dinyalakan pada t = /6 + oleh karena Van mempunyai sudut lebih positif pada interval /6 t 5/6. Thyristor T2 dinyalakan pada t = 5/6 + karena Vbn mempunyai sudut fasa yang lebih positif pada 120 listrik berikutnya. Jika Thyristor T2 dalam keadaan konduksi ,
thyristor T1 akan berada dalam keadaan off state sejalan dengan nilai
tegangan fasa ke fasa Vab berada dalam kondisi negative. Thyristor T3
akan dinyalakan pada saat t = 3/2 + bersamaan dengan itu thyristor
T2 akan berada pada keadaan off .
Gambar 5.4 Penyearah Terkendali 3 Fasa Gelombang
Arus beban pada gambar 5.4 merupakan arus continue
disebabkan oleh beban merupakan beban yang dominan induktif. Khusus
untuk beban resistof murni dan sudut perlambatan penyalaan > /6, maka arus beban akan merupakan arus discontinue, dan setiap thyristor
mengalami komutasi pada saat polaritas tegangan fasa akan berada pada
daerah negative. Frekuensi dari riak tegangan keluaran pada keadaan ini
adalah sebesar 3fs, dengan fs merupakan frekuensi tegangan suplai.
Konverter ini biasanya tidak digunakan pada rangkaian sederhana oleh
karena arus masukan mengandung komponen dc yang cukup besar.
Khusus untuk arus beban continue, tegangan rata-rata pada sisi
keluaran pada sisi beban ditentukan dengan cara:
Selanjutnya tegangan efektif pada sisi keluaran dinyatakan dalam
bentuk:
Untuk beban resistif dan /6, maka tegangan rata-rata pada sisi beban dinyatakan dalam bentuk:
Dan tegangan efektif pada sisi beban untuk beban resistof
dinyatakan dengan:
4. Penyearah 3 Fasa Semi Terkendali
Gambar menyusul
Gambar 5.5 Konverter ac-dc 3 fasa Semi Terkendali dengan
Beban Dominan Induktif.
Gambar menyusul
Gambar 5.6 Gelombang Tegangan Keluaran padaThree-Phase
Semiconverter for < /3
Gambar 5.5. dan 5.6 menunjukkan converter ac-dc 3 fasa semi
terkendali dengan beban dominant induktif.
Untuk sudut perlambatan penyalaan /3 Sudut perlambatan penyalaan akan bervariasi dari 0 and .
Untuk perioda /6 t 7/6, thyristor T1 akan mengalami tegangan arah maju (forward biased) dan jika dinyalakan pada t = /6 + , thyristor T1 dan dioda D1 akan melewatkan tegangan suplai vac pada
beban. Selanjutnya pada t = 7/6, tegangan sumber (line voltage) vac akan mulai memasuki nilai negatif. Hal ini disebabkan karena dioda
freewheeling Dm mengalirkan arus beban disebabkan thyristor T1 dan
dioda D1 berada dalam keadaan off. Setiap thyristor akan konduksi pada
selang - dengan range kecil dari 2/3.
Untuk sudut perlambatan penyalaan /3 Pada kondisi ini setiap thyristor akan konduksi bersamaan dengan
2 buah dioda (satu dioda dan 1 buah thyristor konduksi pada saat yang
bersamaan) pada interval 2/3.
Tegangan Keluaran Konverter Semi Terkendali
Persamaan tegangan system 3 fasa dinyatakan dalam bentuk:
Tegangan jarring dari system 3 fasa dinyatakan dalam bentuk
persamaan:
Dimana Vm merupakan tegangan fasa maksimum.
Untuk sudut perlambatan penyalaan /3
Pada kondisi ini tegangan keluaran merupakan tegangan
discontinue, dan besarnya tegangan keluaran rata-rata dinyatakan dalam
bentuk:
Tegangan keluaran maksimum terjadi pada saat = 0 dan ditentukan dengan cara:
Tegangan keluaran efektif dinyatakan dalam bentuk persamaan
berikut:
Untuk sudut perlambatan penyalaan /3
Pada kondisi ini tegangan keluaran merupakan tegangan
continue, dan dinyatakan dalam bentuk persamaan:
Nilai efektif tegangan keluaran pada sisi beban ditentukan dengan
cara:
5. Penyearah 3 Fasa Terkendali Sistem Jembatan
Penyearah 3 fasa terkendali sistem jembatan merupakan
penyearah 3 fasa gelombang penuh. Diagram penyearah 3 fasa
gelombang penuh dengan beban dominant induktif diperlihatkan
pada gambar 5.7 bersama-sama dengan gelombang tegangan dan
arus pada sisi masukan dan keluaran.
Gambar 5.7 Konverter 3 Fasa Terkendali Gelombang Penuh
Konverter jenis ini merupakan converter 3 fasa dengan
operasi 2 kuadran, dimana thyristor dinyalakan pada interval /3.
Oleh karena thyristor dinyalakan setiap selang 60, maka frekuensi
dari tegangan riak keluaran adalah 6 kali frekuensi tegangan
sumber. Pada interval t = /6 + thyristor T6 sudah berada dalam keadaan aktif (on state) dan thyristor T1 dinyalakan. Pada
interval /6 t /2, thyristor T1 dan T6 konduksi dengan tegangan jaring Vab dirasakan pada sisi beban. Selanjutnya pada
interval t = /2 + thyristor T2 diaktifkan bersamaan dengan tidak aktifnya (off state) thyristor T6 dengan komutasi natural. Hal
ini disebabkan karena pada saat thyristor T2 diaktifkan, tegangan
jaring pada thyristor T6 berada pada nilai positif (Vbc), sehingga
thyristor T6 mengalami tegangan arah balik. Kemudian pada
interval (/2 + ) t (5/6 + ), thyristor T1 dan T2 akan konduksi dan menyebabkan tegangan beban sama besar dengan
tegangan jaring (line to line voltage). Urutan konduksi dari ke 6
buah thyristor akan mengikuti pola T1T2, T3T3, T3T4, T4T5, T5T6,
dan T6T1.
Penentuan Besarnya tegangan rata-rata dan tegangan efektif (rms) pada sisi beban.
Dengan memisalkan tegangan fasa netral dinyatakan dalam
bentuk:
Hubungan tegangan jaring (line to line voltages) dinyatakan
dalam bentuk persamaan:
Nilai tegangan keluaran rata-rata (average output voltage)
ditentukan dengan persamaan:
Besarnya tegangan maksimum keluaran pada sisi beban
diperoleh pada sudut perlambatan penyalaan = 0, dan
dinyatakan dengan:
Nilai tegangan efektif pada sisi beban ditentukan dengan
persamaan:
C. EVALUASI
1. Penyearah 3 fasa terkendali gelombang dengan beban resistor
murni sebesar 100 ohm (gambar 5.4). Gambarkan bentuk
gelombang tegangan dan arus masukan dan keluaran dengan
sudut perlambatan penyalaan 6 , serta tentukan:
a. Gambarkan rangkaian daya dan jelaskan cara kerja penyearah
tersebut.
b. Tegangan Vdc (rata2) dan tegangan Vdc (efektif)
c. Arus dan daya pada beban
2. Penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh dengan beban
resistor murni sebesar 100 ohm seperti gambar 5.7. Gambarkan
bentuk gelombang tegangan dan arus masukan dan keluaran
dengan sudut perlambatan penyalaan 6 , serta tentukan:
a. Gambarkan rangkaian daya dan jelaskan cara kerja penyearah
tersebut.
b. Tegangan Vdc (rata2) dan tegangan Vdc (efektif)
c. Arus dan daya pada beban
Catatan: Tugas ini harus Saudara dikerjakan masing-masing.
Jawabannya dikirim lewat email dengan alamat seperti yang tertera
pada modul ini dan telah sampai pada Dosen Pembimbing paling lambat
2 minggu terhitung dari tanggal modul ini Saudara download. Harap
sertakan keterangan tanggal Saudara men download modul ini.
Penilaian jawaban modul ini akan memperhitungkan jawaban yang
masuk tepat pada waktunya
D. PENUTUP
Pembahasan yang telah dilakukan pada bagian ini telah
menyelesaikan materi mengenai penyearah (rectifier) 3 fasa
terkendali, khususnya penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh
dengan menggunakan transformator. Pemahaman tentang cara kerja,
menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan
keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat (rumus akhir dari
setiap pembahasan) tetap merupakan fokus dari materi ini. Agar
pemahaman Saudara lebih mantap, coba Saudara kerjakan lagi soal
yang ada tanpa melihat modul ini. Saudara dipastikan telah dapat
memahami materi dalam modul ini dengan baik, jika Saudara dapat
mengerjakannya tanpa melihat catatan,.
E. Daftar Pustaka 1. Cyril W. Lander (1981), Power Electronics
2. DA Badley (1995), Power Electronics
3. PC. Sen (1985). Principles of Electrical Machines and Power
Electronics.
4. Mohan (1989), Power Electronics, Converter Application and Design.
Biografi Penulis
Aswardi, lahir di Bukit Tinggi 21 Februari 1959. Menamatkan pendidikan pada jenjang strata 1 (S1) pada
Fakultas pendidikan Teknologi dan Kejuruan (FPTK) IKIP Padang tahun 1983. Melanjutkan pendidikan pada jenjang
Magister Teknik (S2) pada tahun 1996 di Institut Teknologi Bandung dan selesai pada tahun 1999 pada bidang Mesin-mesin Listrik dan Elektronika Daya. Meminati dan menekuni
penelitian bidang Mesin listrik dan Elektronika Daya, serta Electric Drive