Konverter Ac Ac 5sz5g

170

MODUL 09

Konverter AC-AC Fasa Tunggal

A. Objektif Setelah pelajaran ini diharapkan mahasiswa mampu: 1. Menjelaskan prinsip kerja dari pengendali tegangan 3 fasa satu arah sebagai penghasil tegangan ac variable 2. Menggambarkan bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran pengendali tegangan 3 fasa satu arah . 3. Mendeskripsikan penerapan Thyristor pada proses pengendalian tegangan keluaran pengendali tegangan 3 fasa satu arah. 4. Menganalisis dan mengevaluasi unjuk kerja pengendali tegangan 3 fasa satu arah .

B. Pendahuluan Setiap jenis pengendali tegangan

bolak-balik 3 fasa dapat dikategorikan

menjadi: 1. Pengendali tegangan 3 fasa satu arah (one directional ac-ac converter) 2. Pengendali tegangan 3 fasa dua arah (two directional ac-ac converter)

Penerapan pengendali tegangan ac (Applications of ac Voltage Controllers) Pengendali tegangan bolak balik 3 fasa untuk digunakan untuk keperluan: 1. Pengaturan pencahayaan pada rangkaian daya bolak-balik. 2. Sistem pemanasan dengan prinsip induksi (Induction heating.) 3. Sistem pemanasa pada industri dan rumah tangga (Industrial heating & Domestic heating). 4. Pengubah tap pada transformator tenaga (Transformer tap changing (on load transformer tap changing). 5. Pengendali kecepatan motor induksi (single phase and poly phase ac induction motor control). 6. Pengendali sistem kemagnitan dengan suplai ac (AC magnet controls.)

171 C. Pengendali Tegangan ac 2 Arah (Full Wave ac Voltage Controller) Rangkaian daya Pengendali tegangan ac 2 arah menggunakan 2 buah komponen

pensakelaran

thyristor

dengan

konfigurasi

anti

paralel,

atau

menggunakan 1 buah Triacs. Arus bolak-balik dari sumber akan mengalir pada sisi beban setiap ½ siklus dari periode tegangan sumber. Nilai rms dari tegangan beban dapat divariasikan dengan cara menvariasikan besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor ' ' . Oleh karena tegangan dan arus suplai merupakan arus bolak-balik dengan gelombang simetris, maka tidak terdapat komponen dc dari arus masukan, berarti juga arus suplai rata-rata adalah nol. Konfigurasi pengendali tegangan ac 1 fasa dengan beban resistif diperlihatkan pada gambar 1. Pengaturan besarnya daya yang mengalir/ yang diserap pada sisi beban dapat dilakukan dengan cara mengatur besarnya sudut perlambatan penyalaan ' ' dari ke dua thyrostor. Pengendali tegangan ac seperti pada gambar 1 dapat disebut juga dengan pengendalian tegangan 2 arah.

Gambar 1. Rangkaian Daya Pengendali Tegangan ac 1 Fasa Dengan komponen pensakelaran Thyristor. Thyristor T1 akan mengalami tegangan arah maju selama ½ siklus dari tegangan suplai. Thyristor T1 dinyalakan dengan sudut perlambatan penyalaan ' '

0    

radians  . Dengan asumsi bahwa kondisi aktif (ON) thyristor T1 sebagai

sebuah sakelar ideal, tegangan suplai akan sampai pada terminal beban RL dan tegangan keluaran vO  vS selama waktu t   sampai  radian. Arus beban akan mengalir melalui thyristor T1 terus ke beban dan kembali lagi ke sumber selama thyristor T1 konduksi dari t   sampai dengan  radian. Pada saat  t   , bilamana tegangan input tepat berada sama dengan nol, arus thyristor (yang mengalir melalui beban resistor R) juga akan menuju nol, dan

172 menyebabkan thyristor T1 akan padam secara alami. Pada saat ini tidak ada arus mengalir dalam rangkaian selama periode waktu  t   sampai dengan     . Thyristor T2 akan mengalami tegangan arah maju selama siklus negatif dari tegangan suplai. Thyristor T2 dinyalakan dengan sudut

    ,

dan tegangan

keluaran akan mengalir selama ½ siklus negatif dari tegangan sumber.dari

t      sampai 2 . Bilamana thyristor T2 konduksi arus beban negatif akan mengalir dari sumber menuju thyristor T2 , dan terus ke beban untuk seterusnya kembali ke sumber selama periode waktu t      sampai dengan 2 .

(a)

(b) Gambar 2. Prinsip Kerja Konverter ac ac fasa tunggal

173 Interval waktu (spacing) antara pemberian pulsa triger untuk thyristor T1 dan T2 dijaga on selama selang waktu  radian atau 1800. Pada saat t  2 tegangan suplai berubah menuju nol, dan menyebabkan tidak arus mengalir dari sumber menuju ke beban. Keadaan ini sekaligus menyebabkan thyristor T2 akan berada dalam keadaan of (off state).

Persamaan penting Tegangan sumber vS  Vm sin t  2VS sin t ; Tegangan jepit pada beban resistor RL ; vO  vL  Vm sin t ;

for  t   to  and t      to 2

Arus beban iO 

vO Vm sin  t   I m sin  t ; RL RL

for  t   to  and t      to 2

D. Penentuan Persamaan Tegangan Efektif pada beban Persamaan tegangan efektif pada beban diperoleh dengan menggunakan persamaan: 2 1 VO2 RMS   V 2 L RMS   vL 2 d  t  ; 2 0 Persamaan tegangan keluaran pengendali 1 fasa 2 arah diperoleh dengan asumsi bahwa bentuk sinyal ac masukan merupakan gelombang simetris untuk satu periode. Dengan asumsi bahwa gelombang tegangan simetris, maka perhitungan dapat dilakukan untuk ½ siklus. Dengan demikian persamaan tegangan keluaran rms dapat diperoleh dengan cara: V 2 L RMS  

1



V 

2

m

sin 2  t.d t

0

V

2

L RMS 

1  2

2

v 0

2 L

.d  t  ;

174

vL  vO  Vm sin t ; (untuk t   sampai  dan t  (    ) sampai 2 Diperoleh:  2  1  2 2 2 VL RMS     Vm sin t  d t    Vm sin t  d t  2      2  1  2 2 2 2  Vm  sin t.d t   Vm  sin t.d t  2       2  Vm 2  1  cos 2t 1  cos 2t  d t    d  t    2  2 2   

  2 2  Vm 2     d t    cos 2t.d t    d t    cos 2t.d t  2  2       

V 2  m t  4 

 

 t 

2

 

 2   sin 2t   sin 2t        2    2    

Vm 2  1 1             sin 2  sin 2   sin 4  sin 2       4  2 2  

Vm 2 4

1 1   2      2  0  sin 2   2  0  sin 2     



Vm 2 4

 sin 2 sin 2       2       2 2  



Vm 2 4

 sin 2 sin  2  2     2       2 2  



Vm 2 4

sin 2 1   2      2  2  sin 2 .cos 2  cos 2 .sin 2 

sin 2  0 & cos 2  1 Oleh karena

VL2 RMS  

Vm 2 4

sin 2 sin 2   2         2 2 

175



Vm 2  2      sin 2  4 

V 2 L RMS  

Vm 2  2  2   sin 2  4 

Dengan mengambil nilai akar kuadrad,diperoleh:

VL RMS  

Vm 2 

 2  2   sin 2 

Vm 2 2

VL RMS  

 2  2   sin 2 

VL RMS  

Vm 2

1  2  2   sin 2  2 

VL RMS  

Vm

1 2

VL RMS  

2

  sin 2   2      2    

Vm 1  sin 2        2  2 

VL RMS   Vi RMS 

VL RMS   VS

1 sin 2         2 

1 sin 2         2 

Nilai rms maksimum pada beban diperoleh pada waktu sudut   0 , ini berarti bahwa tegangan beban merupakan tegangan sinus dan persis sama dengan V tegangan sumber dan mempunyai nilai efektif sebesar  m , perhatikan uraian di 2 bawah ini .

VL RMS 

VL RMS 



Vm 1  sin 2  0    0    2  2  



Vm 1  0     2  2  

 0

 0

176

VL RMS 

  0

Vm  Vi RMS   VS 2

(4)

Pembahasan di atas juga menunjukkan bahwa nilai maksimum tegangan rms pada beban terjadi pada sudut triger   0 dan akan minimum (0 volt) pada sudut triger    .

E. Karakteristik Pengaturan Pengendali Tegangan ac 1 fasa 2 Arah Kurva karakteristik pengendalian dari pengendali tegangan 1 fasa 2 arah dengan beban resistif dapat ditentukan dengan mengambarkan tegangan VO RMS  versus sudut perlambatan penyalaan (  ).

VO RMS   VS

1 sin 2         2 

;

Dengan V VS  m  Nilai rms tegangan suplai 2 Tabel 1. Hasil perhitungan Vo(rms) versus sudut triger  Trigger angle  in degrees 0

Trigger angle  in radians 0

300



600



900



1200

2

1500

5

1800



6 3 2 3

6

 6 ;  2  6 ;  3  6 ;  4  6 ;  5  6 ;  6  6 ; 1

VO RMS  VS

% 100% VS

0.985477 VS

98.54% VS

0.896938 VS

89.69% VS

0.7071 VS

70.7% VS

0.44215 VS

44.21% VS

0.1698 VS

16.98% VS

0 VS

0 VS

177 Berdasarkan data hasil perhitungan seperti pada tabel 1 di atas diperoleh kurva karakteristik pengaturan dari pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah seperti gambar berikut.

VO(RMS) VS

0.6VS

0.2 VS 0

60

120

180

Trigger angle in degrees Gambar 3. Kurva Vo(rms) versus sudut triger  Berdasarkan gambar di atas diperoleh bahwa nilai rms tegangan keluaran/ tegangan ac pada sisi beban dapat divariasikan dari maksimum 100% VS pada

  0 sampai ‘0’ volt pada   1800 . Jadi diperoleh range pengaturan yang cukup lebar dengan menggunakan pengendali tegangan 1 fasa 2 arah pengendalian. Tugas latihan Diberikan rangkaian pengendali tegangan ac seperti gambar berikut

178

D1

D3

+ T1 D4

AC Supply

D2 RL

-

Dengan menggunakan prinsip pembahasan sebelumnya, saudara diminta untuk menjelaskan prinsip kerja rangkaian berikut ini. Pahami cara kerja rangkaian dan bandingkan bentuk sinyal keluaran pada sisi beban dengan pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah. Jawaban juga dikirimkan ke pembina mata kuliah bersamaan dengan jawaban soal pada modul ini.

E. Soal Latihan 1. Pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah mempunyai tegangan masukan efektif 120 V dan beban resistif 6 ohm. Besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor

 2 . Tentukan: a. Tegangan efektif keluaran (volt). b. Daya keluaran (Watt) c.

Faktor Kerja Masukan

d. Arus thyristor rata-rata dan efektif. Penyelesaian:     900 , VS  120 V, 2

R  6

Besarnya tegangan efektif keluaran 1

1  sin 2   2 VO  VS        2    

179 1

1   sin180   2 VO  120       2 2    

VO  84.85 Volts Arus efektif keluaran IO 

VO 84.85   14.14 A R 6

Daya Beban PO  I O2  R

PO  14.14   6  1200 watts 2

Arus masukan sama besar dengan arus beban. Jadi I S  IO  14.14 Amps Daya masukan (VA)  VS I S  120 14.14  1696.8 VA Jadi Faktor Kerja Masukan =

Daya beban 1200  0.707 ( tertinggal ) . = 1696.8 VA Input

Setiap thyristor konduksi hanya setengah siklus, dengan demikian diperoleh: Arus thyristor rata-rata IT  Avg  IT  Avg  

1



2 R 





Vm sin  t.d  t 

Vm 1  cos   ; 2 R

Vm  2VS

2 120 1  cos 90  4.5 A 2  6

Arus thyristor efektif IT  RMS  

IT  RMS 

1 Vm2 sin 2  t  d  t  2  R2

180

1  cos 2 t  d  t Vm2   2  2 R  2 



1

V 1  sin 2   2  m       2R   2   1

2VS  2R

1  sin 2   2        2     1

2 120  1   sin180   2        10 Amps 2  6    2 2  

2. Pengendali tegangan ac 1 fasa 1 arah menggunakan 1 buah thyrisor dan 1 buah dioda yang terpasanga secara antiparalel dan terhubung pada beban pemanas (heater) 1 kW, 230 V. Tentukan daya beban untuk sudut penyalaan thyristor sebesar 450. Penyelesaian:

  450 



, VS  230 V ; PO  1KW  1000W 4 Pada tegangan suplai standard 230V, daya disipasi pemanas 1KW .

Jadi

PO  VO  I O 

VO  VO VO2  R R

Tahanan pada pemanas

V 2  230  R O   52.9 PO 1000 2

Tegangan rms keluaran  1 VO  VS   2

1

sin 2   2  2       2   

 1 VO  230   2

; untuk sudut penyalaan   450 1

 sin 90   2  2       224.7157 Volts 4 2   

181

Besarnya arus efektif keluaran IO 

VO 224.9   4.2479 Amps R 52.9

Daya beban 2 PO  I O2  R   4.25   52.9  954.56 Watts

F. EVALUASI 1. Tentukan besarnya arus rata-rata dan arus efektif yang mengalir melalui beban pemanas dari rangkaian pada gambar. Sudut penyalaan kedua SCR adalah 450.

io

SCR1 +

1- 220V ac

SCR2

1 kW, 220V heater

2. Suatu pengendali tegangan 1 fasa digunakan untuk mengontrol aliran daya dari sebuah sumber tegangan sebesar 220 V, 50 Hz ke beban yang terdiri dari R = 4  dan L = 6 .. Hitung: a. Range sudut pengendalian b. Arus rms beban maksimum c. Faktor kerja maksimum d. Arus thyristor rms maksimum. 3. Anda diminta untuk menemukan 2 buah contoh soal mengenai regulator tegangan ac berikut dengan jawabannya. Contoh soal dapat anda peroleh dari buku teks, learning material, dst. Berikan tanggapan anda tentang contoh soal tersebut, misalnya berkaitan dengan ketuntasan dan kejelasan pembahasan, tingkat kesukaran dsb. Catatan: Tugas ini harus Saudara dikerjakan masing-masing. Jawabannya dikirim lewat email dengan alamat seperti yang tertera pada modul ini dan telah sampai pada

182 Dosen Pembimbing paling lambat 2 minggu terhitung dari tanggal modul ini Saudara . Harap sertakan keterangan tanggal Saudara men modul ini. Penilaian jawaban modul ini akan memperhitungkan jawaban yang masuk tepat pada waktunya

H. PENUTUP Pembahasan yang telah dilakukan pada bagian ini telah menyelesaikan materi mengenai regulator tegangan 1 fasa dengan pengendalian 1 arah dan pengendalian 2 arah. Pemahaman tentang cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat (rumus akhir dari 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,.

I. 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.

J. 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

183