Bab 2 Konverter Ac Dc 1bd46

13

BAB II KONVERTER AC - DC Penyearah daya merupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi untuk mengubah tegangan sumber masukan arus bolak-balik dalam bentuk sinusoida menjadi tegangan keluaran dalam bentuk tegangan searah yang tetap ataupun variabel tergantung pada keperluan atau pemakaian. Jenis sumber tegangan masukan untuk mencatu rangkaian penyearah daya dapat digunakan tegangan bolak- balik satu fasa dan tiga fasa. Penyearah satu fasa merupakan rangkaian penyearah daya dengan sumber masukan tegangan bolak-balik satu fasa,

sedangkan

penyearah

tiga

fasa rangkaian

penyearah

daya dengan

sumber masukan tegangan bolak-balik tiga fasa seperti diperlihatka pada gambar berikut ini. Vac 3 Fasa

Vac

Konverter AC - DC

Vdc

Konverter AC - DC

(a)

Vdc

(b)

Gambar 9. Blok Diagaram Konverter AC – DC (a) Konverter ac dc 1 fasa (b) Konverter ac dc 3 fasa Rangkaian konveter ac dc seperti gambar 9. di atas dapat dilakukan dalam bentuk konverter ac dc setengah gelombang (halfwave) dan konverter ac dc gelombang-penuh (fullwave). Pembebanan pada rangkaian penyearah daya umumnya

dipasang beban resistif atau beban domonan induktif (resistif-

induktif). Pengaruh dari jenis pembeban akan akan

mempengaruhi

kualitas

tegangan dan arus keluaran yang dihasilkan dari rangkaian konverter jenis ini. Teknik Elektronika Daya

14

A. Konverter ac-dc Fasa Tunggal Tidak Terkendali Representasi yang umum dari sebuah penyearah dengan tegangan suplai fasa tunggal diperlihatkan pada gambar 10. berikut. Suatu penyearah minimal terdiri dari sisi tegangan sumber, sisi komponen pensakelaran dan sisi beban. Rangkaian pada kotak hitam (black book) yang mewakili penyearah dapat terdiri dari beberapa macam konfigurasi. Khusus untuk konverter ac-dc fasa tunggal dapat berupa konverter fasa tunggal tidak terkendali (uncontrolled rectifier) dan konverter fasa tunggal terkendali (controlled rectifier). Untuk keperluan pembahasan pertama kali digunakan penyearah 1 fasa ½ gelombang yang selanjutnya dilengkapi dengan penyearah 1 fasa gelombang penuh Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa pada penyearah tidak terkendali, komponen penghubung (switching component) yang digunakan adalah dioda. Penggunaan dioda sebagai komponen pensakelaran tidak memungkinkan untuk mendapatkan tegangan keluaran yang bervariasi. Tegangan keluaran penyearah Karena itu besarnya tegangan keluaran penyearah hanya ditentukan oleh besarnya amplitudo tegangan sumber pada sisi bolak-balik. Semakin besar amplitudo tegangan ac yang diberikan pada sisi masukkan penyearah, maka tegangan pada sisi keluaran juga akan semakin besar. Rangkaian daya penyearah 1 fasa dengan menggunakan transformator centre tap (CT) dan bentuk gelombang pada sisi masukan dan keluaran diperlihatkan pada gambar 9. Setiap ½ kumparan transformator berhubungan dengan kerja sebuah dioda dan berlaku sebagai sebuah penyearah ½ gelombang. Untuk ½ siklus pertama dari tegangan sumber, Dioda D1 mengalami tegangan arah maju (on), sementara dioda D2 mengalami tegangan arah balik (off). Pada setengah siklus ke dua dari tegangan sumber, Dioda D2 mengalami tegangan arah maju (on), sedangkan dioda D1 mengalami tegangan arah balik (off). Teknik Elektronika Daya

15

Gambar 10. Penyearah 1 Fasa Gelombang Penuh dengan Menggunakan Transformator CT Setiap dioda konduksi secara bergantian setiap setengah siklus dari tegangan suplai yang selanjutnya menghasilkan tegangan searah (dc) gelombang penuh pada sisi beban. Pengaruh kejenuhan inti transformator tidak ada oleh karena tidak ada arus searah (dc) yang mengalir pada inti transformator. Besarnya tegangan output rata-rat diberikan oleh persamaan: 2

𝑇/2

𝑉𝑑𝑐(𝑟𝑎𝑡𝑎) = 𝑇 ∫0

𝑉𝑚 sin 𝑤𝑡 𝑑𝑤𝑡

𝑉𝑑𝑐(𝑟𝑎𝑡𝑎) = 0,636 𝑉𝑚

(1)

(volt) 1/2

2 𝑇/2 𝑉𝑑𝑐(𝑟𝑚𝑠) = [ ∫ 𝑉𝑚𝑥 2 𝑠𝑖𝑛𝑥 2 𝑤𝑡 𝑑𝑤𝑡] 𝑇 0 𝑉𝑑𝑐(𝑟𝑚𝑠) = 0,707 𝑉𝑚

(volt)

(2)

Besarnya tegangan arah balik maksimum dioda adalah sebesar 2Vm. Besarny tegangan arah balik ini akan sangat tergantung dari kemampuan dioda, karena dioda yang mengalami tegangan arah balik lebih besar dari kemampuan akan menyebabkan dioda akan rusak.

Teknik Elektronika Daya

16

Selanjutnya model rangkaian daya untuk menghasilkan penyearah 1 fasa gelombang penuh juga dapat dilakukan dengan menggunakan 4 buah dioda yang membentuk jembatan (bridge). Diagram rangkaian daya dan bentuk gelombangan tegangan keluaran diperlihatkan pada gambar x berikut ini. Setengah siklus dari siklus positif dari tegangan suplai, dioda D1 dan D2 akan konduksi (on state) dan mengalirkan arus pada beban, sementara dioda D3 dan D4 akan mengalami tegangan arah balik (off state). Demikian juga dengan setengah siklus negatif dari tegangan suplai, dioda D3 dan D4 akan konduksi dan mengalirkan arus ke beban, sedangkan dioda D1 dan D2 akan berada pada keadaan off state.

Gambar 11 Penyearah 1 Fasa Gelombang Penuh Sistem Jembatan dengan Beban Resistor Terlihat berdasrkan gambar 11 di atas bentuk gelombang keluaran penyearah 1 fasa jembatan penuh 2 dioda dan trafo CT dibandingkan dengan penyearah 1 fasa jembatan penuh 4 dioda tanpa trafo CT akan menghasilkan bentuk gelombang dan besar yang sama, baik tegangan Vdc(rata) dan Vdc(rms). Perbedaan kasat mata diantara ke dua jenis rangkaian adalah dalam hal jumlah dioda dan digunakannya trafo CT. Namun dari segi elektronika daya ada hal penting yang harus diperhatikan, yaitu dalam hal tegangan balik maksimum yang dialami oleh setiap komponen. Khusus untuk penyearah Teknik Elektronika Daya

17

dengan 2 dioda makan tegangan balik maksimum yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar tegangan sumber, sedangkan untuk penyearah dengan 4 dioda, besarnya tegangan balik yang dirasakan dioda adalah setengah dari tegangan sumber karena pada saat yang sma terdapat dua dioda yang konduksi. Jadi secaara teknis penggunaan penyearah fasa tunggal dengan 4 dioda lebih dianjurkan

B. Konverter ac-dc Fasa Tunggal Terkendali Konverter fasa tunggal terkendali {phase-controlled) merupakan penyearah yang sederhana dan murah, efisiensi penyearah ini secara umum berada diatas 95%. Karena penyearah ini mengkonversikan tegangan ac ke dc, penyearah ini dikenal sebagai konverter ac ke dc (ac-to-dc converter) dan banyak digunakan dalam alpikasi industri terutama pada penggerak listrik dengan kecepatan variabel (variable-speed drives), yang mencakup level daya hingga megawatt. Konverter dengan fasa terkontrol dapat diklasifikasikan pada dua tipe, bergantung pada suplai masukan : (1) konverter satu fasa, dan (2) konverter tiga fasa. Setiap tipe dapat dibagi lagi menjadi (a) semikonverter (semiconverter), (b) konverter penuh (full konverter), (c) konverter ganda (dual konverter). Semikonverter merupakan konverter satu kuadran dan hanya memiliki satu polaritas tegangan dan arus keluaran. Konverter penuh merupakan konverter dua kuadran yang dapat memilki tegangan keluaran baik positif dan negatif, akan tetapi keluran arusnya hanya dapat berharga positif. Konveter ganda akan beroperasi pada empat kuadran yang akan dapat menghasilkan tegangan dan arus keluaran berharga positif maupun negatif. Pada banyak aplikasi, konverter-konverter dihubungkan secara sen agar dapat beropersi pada tegangan yang lebih tinggi serta meningkatkan faktor daya.

Teknik Elektronika Daya

18

1.

Konverter 1 fasa Terkendali ½ Gelombang Rangkaian daya konverter 1 fasa ½ gelombang diperlihatkan pada gambar 11(a), sedangkan bentuk gelombang masukan dan keluaran diperlihatkan pada gambar 11(b).

(a)

(b) Gambar 12. Konverter ac dc Fasa Tunggal ½ Jembatan (a) Rangkaian daya (b) Gelombang Tegangan dan Arus Perhatikan rangkaian gambar 12(a) konverter satu fasa setengah gelombang dengan resistif. Selama setengah siklus positif dari tegangan masukan, anode thyristor relatif lebih positif terhadap katoda sehingga thyristor disebut terbius maju. Ketika thyristor dinyalakan pada t = , thyristor T akan konduksi dan pada beban akan muncul tegangan keluaran. Ketika tegangan masukan mulai negatif pada t = π, anoda thyristor akan lebih negatif dari katodanya dan thyristor T) disebut Teknik Elektronika Daya

19

terbaias mundur, dan akan padam secara natura. Waktu setelah tegangan masukan mulai positif hingga thyristor dinyalakan pada t = π disebut sudul kelambatan atau penyalaan (α). Jika Vm adalah tegangan masukan puncak, tegangan keluaran rata-rata Vdc dapat diperoleh dari 1 𝜋 𝑉𝑑𝑐 = ∫ (𝑉𝑚. 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 dωt) 2𝜋 0 𝑉𝑑𝑐 =

𝑉𝑚 2𝜋

[1 + cos 𝛼]

(volt)

(3)

Tegangan keluara Vdc dapat dikontrol dari Vm/π hingga 0 dengan mngubah-ubah  antara 0 hingga π. Tegangan keluaran rata-rata akan menjadi maksimum bila  = 0 dan tegangan keluaran maksimum Vdm akan menjadi Vm/π volt.. Contoh Soal Jika konverter mem.ilki beban resistif R dan sudut penyalaan  = π/2, tentukan (a) efisiensi penyearah, (b) faktor bentuk FF, (c) faktor ripple RF, (d) falctor utilitas trafo TUF, dan (e) tegangan puncak balik PIV dari thyristor T1. Penyelesaian : Sudut penyalaan, = π/2. Dari persamaan (3-1), Vdc = 0,1592Vm dan Idc = 0,1592Vm/R. Dari persamaan (3-3), Vn = 0,5. Dari persamaan (3-4), Vrms = 0,3536Vm dan Irms= 0,3536Vm/R. Dari persamaan (2-42), Pdc = (0,1592Vm)2/R dan dari persamaan (2-43), Pac VrmsIrms = (0,3536Vm)2/R. (a)

dari persamaan (2-44) efisiensi penyearah

(b)

dari persamaan (2-46) faktor bentuk

Teknik Elektronika Daya

20

(c)

dari persamaan (2-48) faktor ripple RF = (2,2212-1)1/2 = 1,983 atau 198,3%

(d)

Tegangan rms sekunder trafo, Vs = Vm/V2 = 0,7070Vm. Nilai rms arus sekunder trafo sama dengan arus beban Is = 0,3536Vm/R. Rating

volt-

ampere

(VA)

trafo,

VA

=

VSIS

=

0,7070Vmx0,3536Vm/R. Dari persamaan (2-49),

(e) Tegangan puncak balik PIV = Vm. Catatan : kinerja konverter berkurang pada daerah sudut (α) rendah. 2.

Konverter 1 fasa Terkendali Penuh Diagram rangkaian penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh dengan

beban

dominan

induktif

dan

beban

sumber

tegangan

diperlihatkan pada gambar 12. penggunaan jenis beban dominan induktif akan menyebabkan arus pada sisi beban (arus dc) merupakan arus kontinue dan tanpa riak (constant load current operation)

Gambar 13. Diagram Rangkaian Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang Penuh Dengan beban Dominan Induktif. Seperti pada gambar 13. di atas, sebuah penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh terdiri dari 4 buah thyristor Teknik Elektronika Daya

T1 , T2 , T3 and T4 yang

21 dihubungkan dengan cara tertentu untuk membentuk konfigurasi gelombang penuh sistem jembatan. Setiap thyristor dikendalikan saat konduksinya dengan pengaturan sinyal pulsa pada gate masing-masing thyristor, dan akan padam secara natural bila tegangan arah balik diaplikasikan pada setiap pasang thyristor. Selama ½ siklus positif, bila sisi sebelah atas dari tegangan keluaran transformator mempunyai polaritas lebih positif terhadap sisi sebelah bawah, maka thyristor T1 dan T2 akan mendapat tegangan arah maju (forward biased) selama interval t  0 to  . Thyristor T1

dan T2 akan ditriger secara

bersamaan pada t   ; (0     ) . Pada saat tersebut beban akan terhubung pada tegangan sumber melalui konduksinya thyristor T1 dan T2 . Tegangan keluaran pada sisi beban akan mempunyai bentuk yang sama dengan tegangan suplai, yaitu Vo  Vm sin t . Oleh karena beban merupakan beban yang dominan induktif, thyristor T1 dan T2 akan tetap konduksi dari  sampai

(   ) . Polaritas tegangan beban dari t   sampai dengan (   ) akan mempunyai nilai negatif

Gambar. 14. Bentuk Gelombang Tegangan Penyearah 1 Fasa Terkendali Gelombang Penuh Dengan beban Dominan Induktif.

Teknik Elektronika Daya

22 Kemudian selama ½ siklus ke dua (siklus negatif) dari tegangan suplai untuk t   to 2 , thyristor T3 and T4 akan mengalami tegangan arah maju. Thyristor T3 and T4 akan di triger pada

t     

. Pada saat yang

bersamaan dengan thyristor T3 and T4 mendapatkan tegangan arah maju, pada itu pula thyristor T1 dan T2 akan mendapatkan tegangan arah balik dan akan berada dalam keadaan off (off state), dan arus beban akan dipindahkan dari T1 dan T2 ke thyristors T3 and T4 . Tegangan pada beban akan mengikuti bentuk tegangan suplai dengan bentuk

vO  Vm sin t selama periode

t  (   ) sampai (2   ) . Terhadap polaritas tegangan pada sisi beban akan tetap seperti pada saat T1 dan T2 yang konduksi. Artinya polaritas tegangan pada sisi beban akan tetap.

v Selama periode waktu t   sampai  , tegangn suplai S dan arus iS mempunyai polaritas positif, dan arus akan mengalir dari sumber ke beban. Konverter dalam hal ini berkerja pada modus penyearah selama t   suplai

sampai π. Selanjutnya selama periode waktu ωt=π sampai (π+α), tegangan suplai mempunyai polaritas negatif, sedangkan arus suplai is mempunyai polaritas positif. Kondisi ini menyebabkan terjadinya pembalikan arah aliran draya dari beban ke suplai. Konverter bekerja pada modus inverter selama periode waktu t   sampai (π+α), dan energi dikembalikan pada sumber. Penyearah terkendali 1 fasa gelombang penuh pada umumnya digunakan secara luas pada aplikasi industri dengan range mencapai daya keluaran mencapai 15 kW. Jadi dengan demikian dapat disimpulkan dengan pengaturan sudut perlambatan penyalaan  , tegangan keluaran rata-rata dapat mempunyai polaritas positif ataupun negatif, sekaligus memungkinkan untuk pengoperasian menjadi operasi 2 kuadran.

Representasi secara umum persamaan tegangan rata-rata adalah:

Teknik Elektronika Daya

23

VO dc   Vdc 

2  1    vO .d t  ; 2  0 

(4)

Mengacu pada persamaan di atas dan dengan pemahaman bahwa gelombang tegangan keluaran penyearah 1 fasa terkendali terdiri dari 2 gelombang pulsa

keluaran selama periode waktu tegangan suplai (

0 & 2 radians ). Pada mode operasi arus beban kontinue dari penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh (asumsikan arus beban tetap), maka setiap thyristor akan konduksi selama 

radians (1800) setelah

dinyalakan. Bila thyristor T1 dan T2 dinyalakan pada t   , thyristor T1 dan T2 akan konduksi pada selang  sampai dengan (   ) , dan bentuk gelombang tegangan keluaran akan mengikuti bentuk gelombang tegangan suplai. Oleh karena itu tegangan keluaran vo  Vm sin t untuk

t   sampai dengan (   ) Berdasarkan pembahasan di atas, persamaan tegangan dc rata-rata dapat dinyatakan dengan cara:

VO dc 

   2   Vdc    Vm sin t.d t  2   

 

VO dc   Vdc 

1  

VO dc   Vdc 

   Vm    sin t.d t    

VO dc   Vdc 

Teknik Elektronika Daya

Vm



V 

m

 sin t.d t  

  cos  t 

 

(5)

24

VO dc   Vdc 

Vm

  cos      cos   ;  

cos       cos

Sehingga

VO dc   Vdc 

2Vm



cos 

(6)

Tegangan dc keluaran rata-rata Vdc dapat divariasikan dari

2Vm

maksimum



untuk   0 ke nilai minimum untuk

 2Vm



untuk

   radian. Tegangan dc keluaran rata-rata maksimum diperoleh untuk sudut perlambatan penyalaan   00 dengan cara berikut:

Vdc max   Vdm 

2Vm



 cos  0  

2Vm

Vdc max   Vdm 

Dengan demikian

(7)



2Vm



(8)

Selanjutnya tegangan dc normalisasi diperoleh dengan cara berikut: Vdcn  Vn 

VO dc  Vdc max 

2Vm

Vdcn

 Vn  



Vdc Vdm

cos 

2Vm

 cos 

(9)

(10)



Dengan demikian diperoleh bahwa Vdcn  Vn  cos 

; berlaku

untuk penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh dengan asumsi konverter jenis ini beroperasi pada arus beban kontinue dan konstant. Teknik Elektronika Daya

25

Besarnya tegangan keluaran efektif dari penyearah 1 fasa gelombang penuh dengan beban dominan induktif diperoleh dengan cara:

VO RMS  

2  1  2   vO .d  t   2  0 

(11)

Oleh karena penyearah 1 fasa gelombang penuh menghasilkan 2 gelombang selama selang waktu periode tegangan input, maka penyearah jenis ini biasa disebut dengan penyearah 2 pulsa. Persamaan tegangan efektif keluaran diperoleh dengan cara:

VO RMS 

   2  2    vO .d  t   2   

VO RMS  

VO RMS 

 

V 

2 m

 sin 2  t.d  t   

   Vm2  2    sin  t.d  t     

VO RMS  

VO RMS 

1  

   Vm2  1  cos 2 t  .d  t       2 

     Vm2     d  t    cos 2 t.d  t   2    

VO RMS  

Vm2    t  2 

VO RMS  

Vm2 2

Teknik Elektronika Daya

  

 sin 2 t     2 

  

  

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

26

  sin  2  2   sin 2       ; sin  2  2   sin 2 2   

VO RMS  

Vm2 2

VO RMS  

Vm2  sin 2  sin 2         2  2  

VO RMS  

Vm2 V2 V    0  m  m 2 2 2

Dengan demikian VO RMS  

Vm  VS 2

(12)

(13)

Jadi besarnya tegangan dc keluaran efektif mempunyai nilai yang sama dengan tegangan suplai. Contoh-Soal: 1.

Suatu penyearah 1 fasa gelombang penuh disuplai dengan tegangan 200 V AC. Tahanan beban pada sisi dc adalah 10 , dan sudut perlambatan penyalaan   600 . Tentukan tegangan dc rata-rata pada beban dan besarnya daya yang diserap beban dc. Penyelesaian: Persamaan tegangan dc rata-rata pada sisi beban dihitung dengan cara:

Vdc  Vdc 

Vm



1  cos  

200  2



Vdc  135 Volts

Teknik Elektronika Daya

1  cos 60  0

27

Besarnya daya yang diserap beban adalah:

Vdc2 1352   1.823 kW Pout  R 10

2. Seperti pada rangkaian pengisian baterai berikut, tentukan besarnya arus pengisian baterai jika sudut perlambatan penyalaan   900 .

R = 10  + 200 V 50 Hz

~



+ 10V  (VB)

Penyelesaian: Dengan menggunakan persamaan berikut:

VB  Vm sin  10  200 2 sin 

Sehingga



10    0.035 radians  200  2 

  sin 1    900 

 2

radians ;        3.10659

Besarnya tegangan dc rata-rata pada tahan beban dihitung dengan cara: 10 

  2    Vm sin  t  VB  .d  t   2  

Teknik Elektronika Daya

28

1





 V cos  t  VB  t    m



1

V  cos   cos    VB        m



1       200  2  cos  cos 3.106   10  3.106      2 2    

 85 V Perlu diperhatikan bahwa nilai  &  dinyatakan dalam radian. Jadi: Arus Pengisian=



Tegangan dc pada resistor tahanan resistor

85  8.5 Amps 10

3. Sebuah penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh digunakan untuk menyuplai beban dc sebesar 10  dari sumber ac 230 V, 50 Hz, dengan sudut perlambatan penyalaan 900. Bagaimana dengan tegangan pada beban jika ditambahkan sebuah induktor yang cukup besar pada sisi beban, dan berapa besarnya tegangan beban akibat penambahan induktor.? Penyelesaian: Besarnya tegangan dc rata-rata pada penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh dihitung dengan:

Vdc 

Vm

Vdc 

230  2   1  cos   2 



Teknik Elektronika Daya

1  cos  

29

Vdc  103.5 Volts Bila dilakukan penambahan beban dengan induktor secara seri dengan beban, maka bentuk tegangan dc pada sisi beban dengan sudut perlambatan penyalaan   900 adalah: V0  0



t 



Vdc 

2Vm



cos 

karena  

 2

;

  cos  cos    0 2

Dengan demikian Vdc  0 Hal ini juga dapat dibuktikan dengan mencermati bentuk gelombang tegangan keluaran seperti gambar di atas.

C. Konverter ac-dc 3 Fasa Tak Terkendali Secara umum pengertian konverter fasa banyak, umumnya 3 fasa adalah sebuah peralatan elektronika daya yang bergungsi untuk mengubah tegangan bolak balik 3 fasa menjadi tegangan searah dc pada sisi keluaran. Tegangan keluaran (Vo) dapat merupakan tegangan keluaran tetap, khusus untuk konverter ac-dc tidak terkendali, dan dapat berupa tegangan dc variabel untuk keluaran konverter ac-dc terkendal. Dilihat dari jumlah fasa masukan, maka konverter jenis ini mempunyai spesifikasi khusus, yaitu tegangan keluaran konverter jenis ini lebih besar dibandingkan dengan tegangan Teknik Elektronika Daya

30

keluaran konverter ac-dc fasa tunggal pada nilai tegangan fasa netral yang sama. Selanjutnya konverter ini juga mempunyai kemampuan melayani beban yang lebih besar dibanding dengan konverter fasa tunggal. Karena nilai arus beban sesat dapat terbagi pada setiap fasa masukan konverter.

1. Konverter 3 Fasa Tidak Terkendali ½ Gelombang Konverter ac dc 3 fasa ½ gelombang tidak terkendali disebut juga dengan konverter ac dc 3 fasa ½ jembatan tidak terkendali. Disebut tidak terkendali, karena besarnya tegangan keluaran konverter tidak dapat dikendalikan pada sisi konverter. Ciri utama dari konverter ini adalah menggunakan dioda sebagai komponen pensakelaran pada rangkaian daya. Konfigurasi pemasangan komponen pensakelaran dari konverter jenis ini diperlihatkan pada gambar 15. Karena ke tiga komponen pensakelaran hanya menghasilkan arus positif beban. Konfigurasi konverter ini terdiri dari tiga dioda D1, D2, da D3 yang dipasang secara seri dengan masing masing

tegangan 3 fasa sumber R, S, dan T. Beban dalam hal ini

terpasang seri dengan keluaran positif dari ketiga dioda. Sumber tigas fasa R, S, dan T dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut: 𝑉𝑎𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin 𝑤𝑡

(14)

𝑉𝑏𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin(𝑤𝑡 − 2𝜋/3)

(15)

𝑉𝑐𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin(𝑤𝑡 − 4𝜋/3)

(16)

Mengacu kepada tegangan sumber di atas, bahwa sumber tegangan tiga fasa merupakan sumber tegangan yang saling berbeda fasa sebesar 1200, dan dikaitkan dengan cara kerja komponen pensakelaran dioda, maka dapat dipastikan bahwa dioda yang pertama mendapatkan tegangan bias arah maju adalah dioda D1, kemudian disusul oleh dioda D2, dan

Teknik Elektronika Daya

31

dioda D3. Masing-masing dioda akan konduksi (ON) selama 1200 listrik, dan konduksi secara berurutan. Untuk π/6 ≤ wt ≤ 5π/6 tegangan fasa pertama Va lebih besar dari tegangan fasa ke dua Vb maupun tegangan fasa ke tigas Vc, dan menyebabkan dioda D1 mengalami tegangan arah maju dan konduksi, sedangkan dioda D2 dan dioda D3 akan mengalami tegangan arah balik (tidak konduksi). Tegangan fasa pertama Va akan menyuplai arus beban melalui dioda D1 terus ke beban dan kembali ke titik netral. Berarti arus yang menyebabkan tegangan beban adalah arus dioda D1. Selanjutnya untuk 5π/6 ≤ wt ≤ 3π/2, tegangan fasa ke dua Vb akan lebih positif dari tegangan fasa pertama Va dan tegangan fasa ke tiga Vc, sehingga menyebabkan dioda D2 mengalami tegangan arah maju dan konduksi, sedangkan dioda D1 dan dioda D3 akan mengalami tegangan arah balik dan tidak konduksi. Jadi arus yang mengalir dan menyebabkan tegangan pada beban adalah arus dioda D2. Kemudian untuk 3π/2 ≤ wt ≤ 13π/6, tegangan fasa ke tiga Vc lebih positif dari tegangan fasa pertama Va dan tegangan fasa ke dua Vb dan menyebabkan dioda D3 mengalami tegangan arah maju dan konduksi, sedangkan dioda D1 dan dioda D3 tidak konduksi. Selanjutnya 13π/6 ≤ wt ≤ 17π/6 siklus tegangan sumber akan kembali berulang dan menyebabkan tegangan Va lebih positif dari tegangan fasa ke dua Vb dan tegangan fasa ke tiga Vc dan menyebabkan dioda D1 kembali konduksi, sementara dioda D2 dan dioda D3 akan kembali padam. Demikian seterusnya prinsip ini akan berulang terus menerus dan merupakan kerja dari konverter ac dc 3 fasa tidak terkendali Bentuk gelombang tegangan sumber 3 fasa, dan bentuk gelombang tegangan dan arus beban resistif diperlihatkan pada gambar 15.

Teknik Elektronika Daya

32

Gambar 15. Rangkaian Daya Konverter ac dc 3 Fasa ½ Jembatan Tidak Terkendali

Gambar 16. Bentuk Tegangan Sumber dan Tegangan dan Arus Beban Konverter ac dc 3 fasa Tak Terkendali ½ Jembatan Berdasarkan gambar di atas diperoleh bahwa selama satu siklus masing-masing dioda akan konduksi satu kali, dan dalam satu siklus terdapat tiga gelombang, sehingga konverter ini juga disebut dengan konverter

ac dc tiga pulsa karena dalam satu siklus terdapat tiga

gelombang atau tiga pulsa. Dengan menganggap beban R sebagai dasar Teknik Elektronika Daya

33

dioda D akan konduksi dari π/6 sampai dengan 5π/6 diperoleh persamaan tegangan

(17)

(18) Sejalan dengan itu persamaan tegangan efektif dapat dinyatakan dengan;

(19)

(20) Sejalan dengan itu, besarnya arus efektif yang mengalir pada setiap belitan sekunder transformer dinyatakan dengan persamaan:

(21) Nilai arus Im diperoleh dari Vm/R Persamaan arus fasa di atas juga menunjukkan besarnya arus yang mengalir pada setiap dioda, dan besarnya adalah sepertiga dari arus beban. Jadi berarti juga bahwa dalam hal perencanaan konverter ini diperoleh bahwa besarnya kapasitas dioda yang dipasang tidak mesti sama besar dengan arus beban. Kapasitas dioda dapat diperkecil menjadi 1/3 dari besarnya arus maksimum beban yang direncanakan. Teknik Elektronika Daya

34

2.

Konverter 3 Fasa Tidak Terkendali Gelombang Penuh Diagram rangkaian dari sebuah penyearah 3 fasa gelombang penuh tidak terkendali diperlihatkan pada gambar 15 (a). gambar 15 (b) adalah bentuk gelombang 3 fasa masukan dan gelombang tegangan dan arus searah pada sisi keluaran. Ke enam dioda akan konduksi dengan urutan konduksi tertentu, misalnya D1D2, D2D3, D3D4, D4D5, D5D6, D6D1. Dalam satu siklus setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° dan setiap dioda akan konduksi selama 120° dalam satu siklus periode tegangan 3 fasa masukan. Tiap pasangan dioda juga akan tersambung dengan tegangan sesaat yang lebih tinggi (tegangan line to line). Oleh karena terjadi 6 kali komutasi dalam 1 siklus, maka penyearah ini juga disebut dengan konverter 6 pulsa.

Gambar 17. Penyearah 3 Fasa Sistem Jembatan (a). Rangkaian Daya dengan beban Resistor (b). Bentuk Gelombangan Tegangan Masukan dan Keluaran

Dengan menggunakan asumsi bahwa tegangan masukan merupakan tegangan 3 fasa berbentuk cosinus (fungsi cos), dan setiap pasangan dioda Teknik Elektronika Daya

35

akan konduksi selama 60° yang mulai konduksi pada -30° dan akan berakhir pada +30°. Jika Vm adalah tegangan maksimum per fasa dari tegangan sekunder transformer dan dengan 6 pulsa dalam satu siklus, maka tegangan rata keluaran pada sisi beban dapat diperoleh dengan cara:

(22) (23)

Besarnya tegangan efektif (Vrms) pada sisi keluaran diperoleh dari:

(24)

Arus maksimum yang mengalir pada setiap dioda Im ditentukan dengan cara: (25) Sementara arus rms pada setiap dioda diperoleh dengan cara menintegrasikan pada selang 60° dan mengalikan dengan faktor 2, karena setiap dioda konduksi selama 60° dalam satu siklus. Besarnya arus rms ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:

Teknik Elektronika Daya

36

(26)

Berdasarkan gelombang arus sudah jelas bahwa arus dalam setiap line masukan line mengalir selama 60° dalam satu siklus, dan besarnya adalah setengah dari nilai arus maksimum.

D. Konverter ac-dc 3 Fasa Semi Terkendali Konverter semi terkendali 3 fasa merupakan converter ac-dc 1 kuadran, dan hanya mempunyai 1 polaritas positif untuk tegangan dan arus keluaran. Konverter 3 fasa 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. . Penyearah 3 fasa semi terkendali digunakan secara luas untuk aplikasi pengendalian daya untuk keperluan industri sampai dengan 120 kW dan beroperasi 1 kuadran. Faktor kerja penyearah jenis ini akan berkurang pada saat sudut

penyalaan meningkat. Namun demikian faktor kerjanya

masih lebih baik dibandingkan dengan penyearah 3 fasa setengah gelombang. Konverter ac-dc 3 fasa semi terkendali merupakan penyearah 3 fasa gelombang penuh setengah terkendali, dengan 3 buah thyristor dan 3 buah dioda yang membentuk konverter jembatan gelombang penuh. Ketiga thyristor berfungsi sebagai sakelar daya terkendali yang dinyalakan secara bergantian dengan menerapkan sinyal triger yang sesuai. (gate triger pulses). Sementara 3 dioda berfungsi sebagai sakelar daya yang tidak terkendali yang dinyalakan bersamaan dengan thyristor yang aktif. Dengan kata lain proses konduski setiap pasang thyristor dan dioda akan berlangsung selama ( 2 / 3) Teknik Elektronika Daya

37

derajat listrik dan akan konduski selama (2 / 6) derjat listrik untuk setiap pasang yang sesuai. ndalian Rangkaian konverter 3 fasa semi terkendali (three phase half controlled bridge converter) dengan jenis beban dominan induktif dan sumber tegangan pada sisi beban diperlihatkan pada gambar 15. Dengan induktansi beban yang cukup besar, arus beban akan merupakan arus beban dc rata . Hal ini akan menyebabkan arus beban kontinue akan menghasilkan arus dc konstan tanpa riak (operasi pada keadaan tanpa riak dan konstan.

Gambar. 18 Rangkaian Daya Penyearah 3 Fasa Semi Terkendali dengan Beban Dominan Induktif.

Seperti pada gambar 18 di atas, thyristor T1 akan mengalam tegangn arah maju (forward biased) bila tegangan suplai Vbn mempunyai polaritas positif dan lebih besar tegangan fasa yang lain Vbn dan Vcn . Dioda D1 akan mengalami tegangan arah maju bila tegangan suplai Vcn lebih negatif dari tegangan suplai yang lain. Selanjutnya thyristor T2 akan mengalami tegangan arah maju bila tegangan Vbn

lebih positif dan lebih besar dibandingkan

tegangan fasa yang lainnya. Dioda D2 akan mengalami tegangan arah maju bila tegangan suplai Van lebih negatif dari tegangan suplai yang lain. thyristor Teknik Elektronika Daya

38

T3 akan mengalami tegangan arah maju bila tegangan Vcn lebih positif dan lebih besar dibandingkan tegangan fasa yang lainnya. Dioda D3 akan mengalami tegangan arah maju bila tegangan suplai Vbn lebih negatif dari tegangan suplai yang lain Gambar 17 berturut-turut menunjukkan bentuk gelombang tegangan suplai 3 fasa, tegangan dc keluaran, gelombang arus pada thyristor dan dioda, arus yang mengalir melalui dioda freewheeling Dm , dan arus sumber ia . Frekuensi dari tegangan keluaran adalah sebesar 3fs, dengan fs adalah frekuensi tegangan suplai. Sudut perlambatan penyalaan



dapat

divariasikan dari 0 0 sampai dengan 1800.

Gambar. 19. Bentuk Gelombang Tegangan Suplai 3 Fasa, Tegangan Dc Keluaran, Arus pada Thyristor, Dioda, Dioda Freewheeling Dm Penyearah 3 Fasa Semi Terkendali Beban Dominan Induktif. Selama perioda waktu (  / 6 )  t  ( 7 / 6 ) , atau 300  t  210 0 thyristor T1 mengalami tegangan arah maju. Jika thyristor T1 dinyalakan pada Teknik Elektronika Daya

39

t  (  / 6   ) , thyristor T1 dan dioda D1 akan konduksi secara bersamaan, dan menyebabkan tegangan suplai akan sampai pada beban. Pada saat

t  ( 7 / 6 ) , Vac akan mulai mempunyai nilai negatif dan menyebabkan dioda freewheeling Dm akan konduksi, dan arus beban kontinue akan mengalir melalui dioda freewheeling Dm dan thyristor T1 , sedangkan dioda

D1 akan padam.

Gambar. 20. Bentuk Gelombang Tegangan Suplai 3 Fasa, Tegangan Dc Keluaran, Arus pada Thyristor dan Dioda Penyearah 3 Fasa Semi Terkendali Beban Dominan Induktif pada (  / 6 )  t  ( 7 / 6 ) Jika dioda free wheeling Dm tidak dibhubungkan paralel dengan beban, thyristor T1 akan tetap konduksi sampai thyristor T2 dinyalakan pada Teknik Elektronika Daya

40

𝜔𝑡 = ((5𝜋)/6 + 𝛼) dan kerja dari dioda free wheeling akan mempengaruhi kerja dari thyristor T1 and D2 , bila D2 dinyalakan segera sesaat tegangan suplai van menjdi lebih negatif pada saat 𝜔𝑡 = (7𝜋)/6 . Jika sudut perlambatan penyalaan 𝛼 ≤= 𝜋/3 , setiap thyristor akan konduksi selama

120  , dan dioda free wheeling D 0

m

tidak akan pernah konduksi pada selang

tersebut.. Bentuk gelombang tegangan dengan sudut penyalaan 𝛼 ≤= 𝜋/3 diperlihatkan pada gambar di atas. Tegangan suplai 3 fasa dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut:

vRN  van  Vm sin t;

(27)

Vm  Tegangan maksimum fasa netral

2   vYN  vbn  Vm sin   t   3  

(28)

vYN  vbn  Vm sin  t  1200 

(29)

2   vBN  vcn  Vm sin   t   3  

(30)

vBN  vcn  Vm sin  t  1200 

(31)

vBN  vcn  Vm sin  t  2400 

(32)

Tegangan jaring (line-to-line voltages) dinyatakan dalam bentuk:

  vRB  vac   van  vcn   3Vm sin   t   6 

(33)

5   vYR  vba   vbn  van   3Vm sin   t   6  

(34)

  vBY  vcb   vcn  vbn   3Vm sin   t   2 

(35)

Teknik Elektronika Daya

41

  vRY  vab   van  vbn   3Vm sin   t   6 

(36)

Dengan Vm merupakan tegangan maksimum per fasa untuk sumber yang terhubung secara bintang (Y) . Selanjutnya Persamaan Tegangan Keluaran Rata-rata Penyearah 3 Fasa semi terkendali untuk dan 𝛼 > 𝜋/3. Tegangan Keluaran dan tegangan beban diskontinu, tegangan keluaran ratarata diperoleh dengan cara sbb: 7

3 Vdc  2





vac .d  t 

(37)

6 

7

3 Vdc  2

6

 

6

6 

  3 Vm sin   t   d  t  6 

Vdc 

3 3Vm 1  cos   2

Vdc 

3VmL 1  cos   2

(38)

Berdasarkan persamaan (30) di atas diperoleh bahwa tegangan keluaran rata-rata maksimum terjadi pada sudut perlambatan penyalaan   0 , yaitu: Vdm 

3 3Vm



(39)

Normalisasi nilai tegangan dc rata-rata adalah Vn 

Vdc  0.5 1  cos   Vdm

(40)

Besarnya tegangan dc efektif keluaran diperoleh dari persamaan:

Teknik Elektronika Daya

42 7

1

VO RMS 

 3   2 

VO RMS 

 3  1  2  3Vm       sin 2   2   4 

2  2 2  3Vm sin  t  6  d t   6   6

(41)

1

Untuk  

 3

(42)

, dan tegangan keluaran kontinue, maka:

      vO  vab  3Vm sin   t   ; untuk  t      to   6 6   2

(43)

Dan

     5  vO  vac  3Vm sin   t   ; untuk  t    to    6  2  6 

(44)

Selanjutnya besarnya tegangan dc keluaran rata-rata dihitung dengan persamaan berikut: 5   6  3  2 Vdc  v . d  t  v . d  t    ac   ab 2     2  6 

Vdc  Vn 

(45)

3 3Vm 1  cos   2

Vdc  0.5 1  cos   Vdm

(46)

Selanjutnya juga dengan besarnya tegangan dc keluaran efektif (rms) dihitung dengan menggunakan persamaan:  3 VO RMS     2  Teknik Elektronika Daya





2



6 

5 2 vab .d  t  

6 





2

 vac2 .d  t    

1 2

(47)

43 1

VO RMS 

 3  2  2  3Vm    3 cos 2      4  3

(48)

Persamaan (48) di atas juga menunjukkan bahwa besarnya tegangan efektif keluaran merupakan fungsi dari sudut perlambatan penyalaan  Contoh soal Suatu penyearah 3 fasa semi terkendali dibebani dengan beban dominan iduktif (RL). Jika tegangan suplai sebesar 400 sin314t dinyalakan pada sudut perlambatan penyalaan  

 4

dan thyristor

, tentukan:

a. besarnya tegangan rata-rata keluaran. b. Jika salah satu tegangan sumber terputus, bagaimana dengan tegangan keluaran rata-rata pada sisi beban. Penyelesaian Sudut perlambatan penyalaan  

 4

radian lebih kecil dari

 radian, 3

sehingga;

Vdc 

3Vm 1  cos   2

Vdc 

3  400 1  cos 450  2

Vdc  326.18 Volts Jika salah satu fasa tegangan suplai terputus, rangkaian akan berprilaku sebagai sebuah penyearah satu fasa semi terkendali dengan beban dominan induktif (RL load.)

Vdc 

Vm



1  cos  

Teknik Elektronika Daya

44

Vdc 

400

1  cos 450  

Vdc  217.45 Volts

E. Konverter ac-dc 3 Fasa Terkendali Konverter 3 fasa terkendali penuh sistem jembatan merupakan converter 2 kuadran, yang memungkinkan tegangan mempunyai polaritas positif (+) atau negative (-), sementara arus keluaran hanya mempunyai polaritas positif (+). Konverter ganda (dual converter) merupakan converter 4 kuadran, yang memungkinkan tegangan dan arus keluaran mempunyai polaritas positif, ataupun negative. 1.

Konverter 3 Fasa Terkendali ½ Gelombang Konverter ac dc 3 fasa ½ gelombang terkendali disebut juga dengan konverter ac dc 3 fasa ½ jembatan terkendali. Disebut terkendali, karena besarnya tegangan keluaran konverter dapat dikendalikan pada sisi konverter. Ciri utama dari konverter ini adalah menggunakan thyristor sebagai komponen pensakelaran pada rangkaian daya. Konfigurasi pemasangan komponen pensakelaran dari konverter jenis ini diperlihatkan pada gambar 21. Karena ke tiga komponen pensakelaran hanya menghasilkan arus positif beban. Konfigurasi konverter ini terdiri dari tiga thyristor T1, T2, da T3 yang dipasang secara seri dengan masing masing

tegangan 3 fasa sumber R, S, dan T. Beban dalam hal ini

terpasang seri dengan keluaran positif dari ketiga dioda. Sumber tigas fasa R, S, dan T tetap dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut: 𝑉𝑎𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin 𝑤𝑡 Teknik Elektronika Daya

(49)

45

𝑉𝑏𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin(𝑤𝑡 − 2𝜋/3)

(50)

𝑉𝑐𝑛 = √2 𝑉𝑠 sin(𝑤𝑡 − 4𝜋/3)

(51)

Mengacu kepada tegangan sumber di atas, bahwa sumber tegangan tiga fasa merupakan sumber tegangan yang saling berbeda fasa sebesar 1200, dan dikaitkan dengan cara kerja komponen pensakelaran dioda, maka dapat dipastikan bahwa thyristor

yang pertama

mendapatkan tegangan bias arah maju adalah thyristor T1, kemudian disusul oleh dioda T2, dan dioda 3. Masing-masing thristor akan konduksi (ON) selama 1200 listrik, dan konduksi secara berurutan.

Gmbar 21. Rangkaian Daya Konverter 3 Fasa Terkendali ½ Gelombang Untuk (π/6+α) ≤ wt ≤ (5π/6+α) tegangan fasa pertama Va lebih besar dari tegangan fasa ke dua Vb maupun tegangan fasa ke tigas Vc, dan menyebabkan thyristor T1 mengalami tegangan arah maju dan konduksi, sedangkan thyristor T2 dan thyristor T

3

akan mengalami tegangan arah

balik (tidak konduksi). Tegangan fasa pertama Va akan menyuplai arus beban melalui thyristor T1 terus ke beban dan kembali ke titik netral. Berarti arus yang menyebabkan tegangan beban adalah arus thyristor T1. Selanjutnya untuk (5π/6+α) ≤ wt ≤ (3π/2+α), tegangan fasa ke dua Vb akan lebih positif dari tegangan fasa pertama Va dan tegangan fasa ke tiga Vc, sehingga menyebabkan thyristor T2 mengalami tegangan arah maju Teknik Elektronika Daya

46

dan konduksi, sedangkan thyristor T1 dan thyristor T3 akan mengalami tegangan arah balik dan tidak konduksi. Jadi arus yang mengalir dan menyebabkan tegangan pada beban adalah arus thyristor T2. Kemudian untuk (3π/2+α) ≤ wt ≤ (13π/6+α), tegangan fasa ke tiga Vc lebih positif dari tegangan fasa pertama Va dan tegangan fasa ke dua Vb dan menyebabkan thyristor T3 mengalami tegangan arah maju dan konduksi, sedangkan thyristor T1 dan thyristor T3 tidak konduksi. Selanjutnya 13π/6 ≤ wt ≤ 17π/6 siklus tegangan sumber akan kembali berulang dan menyebabkan tegangan Va lebih positif dari tegangan fasa ke dua Vb dan tegangan fasa ke tiga Vc dan menyebabkan thyristor T1 kembali konduksi, sementara thyristor T2 dan thyristor T3 akan kembali padam. Demikian seterusnya prinsip ini akan berulang terus menerus dan merupakan kerja dari konverter ac dc 3 fasa tidak terkendali

Gambar 22. Gelombang Tegangan Sumber dan Tegangan Beban Konverter ac dc Terkendali ½ jembatan Teknik Elektronika Daya

47

Bila thyristor T1 dinyalakan pada sudut nyala  , besarnya tegangan dc keluaran untuk arus beban kontinue dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:

 56   3   Vdc  vO .d  t     2   6  

(52)

Tegangan keluaran menjadi: vO  van  Vm sin  t for  t   300    to 1500   

 5   3 6  Vdc  Vm sin  t.d t     2   6  

(53)

Karena tegangan keluaran mempunyai 3 pulsa selama satu siklus tegangan masukan, maka:

 56   3Vm   Vdc  sin  t.d  t     2   6    3Vm  Vdc    cos t  2  

Vdc 

3Vm 2

5  6

 6



(54)

   

  5      cos  6     cos  6         

(55)

Selesaian dari persamaan di atas akan menghasilkan:

Vdc 

3Vm  2 cos  300  cos     2 

Teknik Elektronika Daya

(56)

48

Vdc 

 3Vm  3 cos    2  2  2 

Vdc 

3Vm    3 3Vm cos   3 cos     2  2

Vdc 

3VLm cos   2

(57)

(58)

Tegangan keluaran maksimum akan diperoleh jika besarnya sudut perlambatan penyalaan  = 0 dan dinyatakan dalam bentuk persamaan: Vdc max   Vdm 

3 3 Vm 2

(59)

Vm adalah nlai tegangan maksimum per fasa., dan normalisasi dari tegangan keluaran menghasilkan: Vdcn  Vn 

Vdc  cos  Vdm

(60)

2. Konverter 3 Fasa Terkendali Gelombang Penuh Penyearah 3 fasa terkendali penuh adalah penyearah 3 fasa terkendali sistem jembatan gelombang penuh yang menggunakan 6 buah thyristor dihubungkan sedemikia rupa dan membentuk konfigurasi sistem jembatan. Seluruh thyristor merupakan sakelar terkendali yang diaktifkan/ dan dinyalakan sesuai dengan pengaturan waktu tertentu dengan memberikan sinyal pulsa pada kaki gate.

Penyearah jenis ini juga biasa disebut dengan penyearah 6 pulsa. Penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh juga digunakan secara luas untuk aplikasi pengendalian daya untuk keperluan industri dengan daya lebih besar dengan 120 kW dan beroperasi pada 2 kuadran. Rangkaian konverter 3 fasa terkendali penuh (three phase full bridge controlled converter) dengan jenis beban dominan induktif dan sumber Teknik Elektronika Daya

49

tegangan pada sisi beban diperlihatkan pada gambar 18.

Tiga thyristor

kelompok atas T1 , T3 , dan T5 bekerja melayani arus positif dari beban, sedangkan 3 thyristor kelompok bawah T2 , T4 , dan T6 6 bekerja melayani arus beban negatif. Dengan induktansi beban yang cukup besar, arus beban akan merupakan arus beban dc rata . Hal ini akan menyebabkan arus beban kontinue akan menghasilkan arus dc konstan tanpa riak (operasi pada keadaan tanpa riak dan konstan.

Gambar. 23. Rangkaian Daya Penyearah 3 Fasa Terkendali Penuh dengan Beban Dominan Induktif.

Mengacu pada gambar 19 di atas, setiap thyristor akan dinyalakan pada interval 𝛼 = 𝜋/3 radian (berarti setiap interval adalah 600. Frekuensi riak tegangan keluaran adalah 6 fs, sehingga filter yang dibutuhkan menjadi lebih kecil

dibandingkan penyearah 3 fasa semi terkendali, ataupun

penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh. Pada saat t  (  / 6   ) , thyristor T6 sudah dinyalakan pada saat thyristor T1 dinyalakan dengan memberikan sinyal pulsa pada gate dari thyristor T1 . Selama periode waktu 𝑤𝑡 = ((𝜋/6) + α) sampai dengan 𝑤𝑡 = Teknik Elektronika Daya

50

((𝜋/2) + α), thyristor T1 dan T6 akan konduski secara bersamaan, sehingga tegangan jaring (line voltage) Vab sampai pada terminal beban. Kemudian pada saat 𝑤𝑡 = ((𝜋/2) + α), thyristor T2 dinyalakan, dan pada saat yang sama thyristor T6 mengalami tegangan arah balik dan akan segera padam secara natural.. Selama periode waktu

𝑤𝑡 = ((𝜋/2) + α) sampai 𝑤𝑡 =

((5𝜋/6) + α) , thyristor T1 dan T2 akan konduksi secara bersamaan dan menyebabkan tegangan jaring Vac sampai pada sisi terminal beban. Demikian seterusnya, thyristor akan konduksi dengan urutan indeks dalam rangkaian seperti pada gambar 18. Urutan penyalaan thyristor (firing sequence) akan mengikuti pyola urutan indeksnya, yaitu 12, 23, 34, 45, 56, 61, 12, 23, dan seterusnya.. Bentuk sinyal gelombang tegangan suplai 3 fasa, tegangan dc kelyuaran, arus thyristor yang melalui T1 dan T4 , serta arus sumber pada fasa pertama ‘a’ diperlihatkan pada gambar 19. Pemahaman tentang tegangan fasa netral pada sistem 3 fasa (tegangan 3 fasa) adalah:

VRN  Van  Vm sin t

(61)

2   0 vYN  vbn  Vm sin   t    Vm sin  t  120  3   2   0 0 vBN  vcn  Vm sin   t    Vm sin  t  120   Vm sin  t  240  3  

Besaran Vm adalah besarnya tegangan maksimum fasa netral tegangan sumber dengan sistem hubungan bintang (Y). Hubungan antara tegangan jaring terhadap tegangan fasa netral dinyatakan dengan persamaan berikut:

  vRY  vab   van  vbn   3Vm sin   t   6 

  vYB  vbc   vbn  vcn   3Vm sin   t   2  Teknik Elektronika Daya

51

  vBR  vca   vcn  van   3Vm sin   t   2 

(62)

Gambar 24. Bentuk Sinyal Gelombang Tegangan Suplai 3 Fasa, Tegangan dc Keluaran, Arus thyristor T6

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T1

T2

iG1

t (30 + ) 0 60 0

iG2

0

0

(360 +30 +) t

iG3 iG4 iG5 iG6

0

60

t 0

60

t 0

60

t 0

60

t

Gambar 25. Bentuk Sinyal Triger pada Penyearah 3 Fasa Terkendali Gelombang Penuh. Teknik Elektronika Daya

52

Persamaan tegangan dc keluaran dari penyearah 3 fasa terkendali gelombang penuh ditentukan berdasarkan jumlah pulsa (terdiri dari 6) yang terbentuk selama satu periode (2 radians), dan diperoleh dengan cara berikut: 

VO dc 

6  Vdc  2

2

 6





vO .d t

;

(63)



  vO  vab  3Vm sin   t   6  

Vdc 

3

2

  3Vm sin   t   .d t 6 

  6

Vdc 





3 3Vm



(64)

cos  

3VmL



(65)

cos 

(66)

Nilai VmL  3Vm merupakan tegangan maksimum antara fasa. Besarnya tegangan dc keluaran maksimum diperoleh pada saat besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor  = 0, yaitu: Vdc max   Vdm 

3 3Vm





3VmL

(67)



Tegangan dc keluaran ternormalisasi diperoleh dengan cara. Vdcn  Vn 

Vdc  cos  Vdm

Selanjutnya besarnya tegangan dc efektif terminal beban diperoleh dari:

Teknik Elektronika Daya

(68)

(rms value) pada sisi

53   6  2 

VO rms 



VO rms 

  6  2 

VO rms 

  3  2 

1



2 2  2 vO .d  t       6 

(69)

1

2  2  vab .d t     6 2





1

2 2   2 2 3Vm sin   t  .d  t    6     6 

1

VO rms 

1 3 3 2  3Vm   cos 2   2 4 

(70)

Persamaan di atas menunjukkan bahwa besarnyay tegangan keluaran konverter ac dc 3 fasa terkendali penuh juga merupakan fungsi dari sudut perlambatan penyalaan thyristor (𝛼).

F. Konverter ac-dc 3 Fasa Ganda (Three Phase Dual Converters) Dalam banyak penggunaan pada sistem pengendali kecepatan, pengoperasian penyearah 3 fasa dengan sistem 4 kuadran merupakan suatu pilihan yang tepat, baphkan digunakan secara luas untuk beban sampai dengan 2000 kW. Gambar berikut menunjukkan rangkaian daya sebuah konverter 3 fasa ganda, dimana 2 buah konverter 3 fasa digunakan dengan sistem saling terhubung pada sisi beban (‘back to back’). Terlihat bahwa kedua tegangan dc keluaran setiap konverter sama-sama terhubung pada beban. Perbedaan tegangan keluaran diantara ke dua konverter akan memungkinkan mengalirnya arus sirkulasi diantara ke dua sisi beban setiap konverter. Besarnya arus sirkulasi dibatasi dengan penggunaan induktor L, dan kedua konverter dikendali sedemikian rupa sehingga jika sudut

Teknik Elektronika Daya

54

perlambatan penyalaan konverter 1 sebesar 1 , maka sudut perlambatan penyalaan konverter 2 adalah  2    1  . Prinsip kerja konverter 3 fasa terkendali dua arah ini identik dengan konverte 1 fasa terkendali dua arah. Perbedaan utama adalah bahwa konverter 3 fasa 2 arah mempunyai tegangan dc keluaran yang lebih tinggi dan daya keluaran pada sisi beban menjadi lebih besar dibandingkan dengan konverter 1 fasa terkendali 2 arah. Namun demikian konverter 3 fasa terkendali 2 arah dalam hal pembiayaan (cost) menjadi lebih besar.

Gambar 26. Konverter 3 Fasa Sistem Dua Arah

Gambar 27. Bentuk Gelombang Tegangan dc Keluaran Konverter 3 Fasa Sistem 2 Arah. Teknik Elektronika Daya

55

Gambar 23 di atas memperlihatkan bentuk gelombang tegangan input, tegangan kelaran konverter 1 dan konverter 2, dan tegangan jepit

yang

terdapat pada induktor pembatas Lr .Prinsip kerja setiap penyearah 3 fasa terkendali akan identik dengan kerja penyearah 3 fasa terkendali penuh.     Selama interval   1  sampai   1  , tegangan jaring vab akan sampai 6 2  

pada sisi keluaran konverter 1, dan vbc akan sampai pada sisi keluaran konverter 2. Selanjutnya bila tegangan fasa netral dari sumber didefinisikan sebagai:

vRN  van  Vm sin t

; Vm = tegangan maksimum fasa netral.

2  vYN  vbn  Vm sin   t  3 

 0   Vm sin  t  120  

2   0 0 vBN  vcn  Vm sin   t    Vm sin  t  120   Vm sin  t  240  3  

Diperoleh analogi untuk besarnya tegangan jaring (line to line voltage) menjadi:

  vRY  vab   van  vbn   3Vm sin   t   6 

  vYB  vbc   vbn  vcn   3Vm sin   t   2    vBR  vca   vcn  van   3Vm sin   t   2 

(71)

Arus sirkulasi pada ke dua sisi konverter Bila vO1 dan vO 2 adalah tegangan keluaran konverter 1 dan konverter 2 , maka tegangan sesaat pada induktor pembatas selama interval       1    t    1  adalah: 6  2  Teknik Elektronika Daya

56

vr   vO1  vO 2    vab  vbc 

      vr  3Vm sin   t    sin   t    6 2    

  vr  3Vm cos   t   6 

(72)

Besarnya ars sirkulasi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: 1 ir  t    Lr

t



 6

1 ir  t    Lr

ir  t  

3Vm  Lr

ir  max  

1

t

  6

vr .d  t 

1

  3Vm cos   t   .d  t  6 

    sin  t  6   sin 1     

3Vm = nilai maksimum arus sirkulasi  Lr

(73)

Terdapat dua mode pengoperasian konverter 3 fasa sistem ganda, yaitu: 1. Mode operasi tanpa arus sirkulasi (non circulating current). 2. Mode operasi dengan arus sirkulasi.

a. Mode Operasi Tanpa Arus Sirkulasi (Non Circulating Current) Pada mode operasi ini hanya salah satu konverter yang diaktifkan pada satu saat, bila konverter 1 yang di aktifkan, sinyal pulsa pada gate konverter 1, dan besarnya tegangan dan arus keluaran rata-rata

Teknik Elektronika Daya

57

dikendalikan dengan cara mengatur sudut perlambatan penyalaan 1 , dan sinyal pada gate thyristor pada konverter 1. Arus beban akan mengalir pada arah kebawah dan memberikan arus beban positif bila konverter 1 di aktifkan. Untuk 1 < 900 , konverter 1 dioperasikan pada mode penyearah sehingga Vdc mempunyai nilai positif. Arus beban I dc dan daya yang diserap beban Pdc juga akan mempunyai nilai positif. Konverter 1 akan mengkonverskan tegangan ac suplai menjadi tegangan dc pada sisi beban, dan daya akan mengalir dari sumber ac suplai ke beban dc pada mode penyearan. Bila sudut perlambatan penyalaan 1 dinaikkan melebih 900 , maka Vdc akan mempunyai polaritas negatif (berlawanan dengan polaritas sebelumnya), sementara arus beban I dc tetap positif, oleh karena thyristor pada konverter 1 akan tetap konduksi hanya pada satu arah. Perubahan arah arus beban pada konverter 1 tidak akan dimungkinkan. Untuk 1  900 , konverter 1 bekerja pada mode inverter dan energi pada beban mengalir kembali ke sumber tegangan masuk. Thyristor akan berubah pada keadaan padam (off state), bila beban turun menjadi nol, dan pada waktu yang sangat singkat +10 sampai 20 ms, konverter 2 dapat diaktifkan (on state) dengan melepaskan sinyal kontrol terhadap thyristor konverter 2. b. Mode Operasi dengan Arus Sirkulasi (Circulating Current Mode Of Operation) Pada mode ini ke dua konverter diaktifkan pada saat yang bersamaan, sehingga salah satu konverter akan bekerja sebagai penyearah dan konverter yang lain bekerja sebegai inverter. Sudut perlambatan penyalaan ke dua konverter 1 dan  2 diatur sedemikian rupa sehingga

Teknik Elektronika Daya

58

1  2   1800 .

Bila 1  900 , koverter 1 bekerja sebagai konverter 3

fasa terkendali. Demikian juga bila  2 diatur pada nilai lebih besar dari

900 , konverter 2 akan bekerja sebagai inverter, sehingga menghasilkan

Vdc Bila 1  900 , konverter 1 bekerja sebagai penyearah 3 fasa terkendali penuh. Bila  2 di buat lebih besar dari 900 , konverter bekerja sebagai inverter, dan Vdc , I dc , dan Pdc mempunyai polaritas positif. Selanjutnya bila  2  900 , konverter 2 bekerja sebagai penyearah terkendali gelombang penuh, dan bila 1 dibuat lebih besar dari 900 , konverter 1 bekerja sebagai inverter dan menghasilkan Vdc dan I dc mempunyai polaritas negatif, sementara Pdc tetap mempunyai polaritas positif. Contoh Soal 1. Suatu penyearah 3 fasa terkendali penuh dioperasikan pada tegangan suplai sebesar 400 V, 50 Hz. . Thyristor dinyalakan pada sudut  

 4

.

There is a FWD across the load. Tentukan besarnya tegangan dc keluaran rata-rata untuk   450 dan   750 . Penyelesaian Untuk   450 ,

Vdc 

3  2  400



Untuk   750 ,

Teknik Elektronika Daya

Vdc 

3Vm



cos 

cos 450  382 Volts

Vdc 

6Vm 1  cos  600      2 

59

Vdc 

6  2  400 1  cos  600  750     2

Vdc  158.4 Volts 2. Suatu penyearah 6 pulsa dihubungkan pada tegangan sumber 3 fasa 415 volt untuk mengendalikan motor dc 440 volt. Tentukan besarnya sudut perlambatan penyalaan  , pada kondisi mana penyearah harus ditriger dengan memperhitungkan jatuh tegangan sebesar 10% dari tegangan rating. Penyelesaian 44V A

+ 3 phase Full Wave Rectifier

B

Ra

484 V=V0 

C

La + 440 V 

Ra - Tahanan jangkar motor

La - Induktansi jangkar Jika tegangan klem (tegangan jepit) harus sama dengan tegangan rating yaitu 440 volt, maka besarnya tegangan terminal harus sama dengan tegangan keluaran penyearah+tegangan jatuh pada jangkar motor.

440  01 440  484 Volts .

Jadi Sehingga VO 

Diperoleh

3Vm cos 



3  2  415  cos 



Sehingga   30.270 Teknik Elektronika Daya

 484 volt

 484 volt

60

G. Evaluasi 1. Penyearah 1 Fasa ½ gelombang dengan beban resistor murni, jika transformator 220/110 volt, dan resistor sebesar 100 ohm.

Jelaskan

kembali cara kerja penyearah tersebut, gambarkan gelombang arus dan tegangan keluaran, serta tentukan: a. Efesiensi. b. Factor riak (ripple factor) c. Faktor utilisasi transformator. d. Tegangan balik maksimum (PIV) dioda D1 e. Faktor bentuk f. Crest factor dari arus masukan.

2. Penyearah 1 Fasa gelombang penuh (full wave)seperti gambar dengan beban resistor murni, jika transformator 220/110 volt dengan tegangan antar CT sebesar 55 volt, dan resistor sebesar 100 ohm, Jelaskan kembali cara kerja penyearah tersebut, gambarkan gelombang arus dan tegangan keluaran, serta tentukan: a. Efesiensi. b. Factor riak (ripple factor) c. Faktor utilisasi transformator. d. Tegangan balik maksimum (PIV) dioda D1 e. Faktor bentuk f. Crest factor dari arus masukan.

3. Gambarkan kembali rangkaian daya penyearah 1 fasa terkendali penuh dengan beban dominan induktif

(tanpa beban sumber tegangan).

Berdasarkan gambar tersebut. a.

Jelaskan cara kerja rangkaian dan gambarkan bentuk gelombang tegangan keluaran, arus keluaran serta arus masukan dengan sudut perlambatan penyalaan  =0.

Teknik Elektronika Daya

61 b.

Lakukan seperti soal 1 (a) di atas untuk sudut perlambatan penyalaan



 6

, serta tentukan besarnya tegangan Vdc(rata-rata), dan Vdc

(efektif), jika.tegangan suplai sebesar 220 volt.

c.

4.

Lakukan seperti soal 1 (a) dan (b) di atas untuk beban resistif murni.

Penyearah 1 fasa terkendali penuh dengan beban resistor murni sebesar 100 ohm. 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 5.

Sebuah penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh digunakan untuk menyuplai beban dc sebesar 100  dari sumber ac 2230 V, 50 Hz, dengan sudut perlambatan penyalaan    / 4 0. Bagaimana dengan tegangan pada beban jika ditambahkan sebuah induktor yang cukup besar pada sisi beban, dan berapa besarnya tegangan beban akibat penambahan induktor tersebut.?

6.

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

 a.

 6

, serta tentukan:

Gambarkan rangkaian daya dan jelaskan cara kerja penyearah tersebut.

b. Tegangan Vdc (rata2) dan tegangan Vdc (efektif) c. Arus dan daya pada beban Teknik Elektronika Daya

62

7. Beban resistif dengan tegangan variabel disuplai dari konverter ac dc terkendali jembatan penuh. Gambarkan diagram rangkaian dan dengan menggunakan sket dari bentuk gelombang tegangan,hitung daya yang disipasikan pada beban untuk beban resistif sebesar 110 Volt Ohm 50 Hertz dan sudut penyalaan 450, dan 1350. Asumsikan bahwa tidak ada rugi tegangan pada komponen pensakelaran.

8. Konverter ac dc terkendali penuh menyuplai daya pada; (a) beban resistif sebesar 250 Ohm., (b beban dominan induktif dengan resistansi juga 250 Ohm. Tegangan ac suplai sebesar 240 Volt 50 Herzt/ Tentukan besarnya arus beban rata-rata dan efektif, daya yang disipasikan pada beban, dan fakor kerja untuk α sebesar 300 dan α=600/ Asumsikan tidak terjadi rugi tegangan dan daya pada konverter

Teknik Elektronika Daya

63

Teknik Elektronika Daya