Modul4 Konverter Ac Dc 3 Fasa Lanjut

Ready for ISO 9001: 2000

Konverter AC-DC TerkendaliKonverter AC-DC Terkendali

Elektronika DayaElektronika Daya

[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

http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/[email protected]

1

Lisensi DokumenCopyright © 2008 ft.unp.ac.idSeluruh 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.


mengatur tegangan fasa keluaran.

Tegangan keluaran dari penyearah ini dapat diatur/ dikendalikan dengan

menvariasikan besarnya sudut perlambatan penyalaan dari komponen

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 ½ Gelombang

Gambar 5.1 berikut ini menunjukkan rangkaian daya dari suatu


2


penyearah 1 fasa ½ 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 ½ Gelombangbeban Resistor (R)

Tegangan rata-rata keluaran Vdc ditentukan dengan persamaan

berikut:

The average output voltage Vdc is given by


3


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 , Tentukan:

a. tegangan dc keluaran

b. arus beban

c. daya yang diserap beban

d. daya masukan pada sisi ac


4


Vs = Vm sin t

Solution

sudut perlambatan penyalaan

Vdc = 0.1592 Vm

2. Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang Penuh

Penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh merupakan

pengembangan dari penyearah 1 fasa ½ gelombang. Penyearah ini


5


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).


6


Gambar 5.3 – Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang PenuhBeban 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/http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/[email protected]

7


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 ½ Gelombang

Penyearah terkendali 3 fasa ½ 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 ½ 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 .


8


Gambar 5.4 Penyearah Terkendali 3 Fasa ½ 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


9


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:


10


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 http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/[email protected]

11


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.


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:


12


Dimana Vm merupakan tegangan fasa maksimum.


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:


Pada kondisi ini tegangan keluaran merupakan tegangan


13


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.


14


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 + ),


15


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:


16


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 ½ gelombang dengan beban resistor

murni sebesar 100 ohm (gambar 5.4). Gambarkan bentuk

gelombang tegangan dan arus masukan dan keluaran dengan

sudut perlambatan penyalaan , 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.


17


Gambarkan bentuk gelombang tegangan dan arus masukan

dan keluaran dengan sudut perlambatan penyalaan , 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


18


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 Pustaka1. 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


19

Modul4 Konverter Ac Dc 3 Fasa Lanjut

Documents

Transcript of Modul4 Konverter Ac Dc 3 Fasa Lanjut