Konverter AC-AC Konverter DC-DC Elektronika Daya

BAB 4

KONVERTER AC/AC

4.1 PENDAHULUAN

Suatu switch thyristor dihubungkan antara sumber AC dengan beban yang mengalir dapat dikontrol dengan berbagai nilai tegangan rms-nya yang digunakan ke beban.Tipe rangkaian daya ini dikenal sebagai AC Voltage Controllers.Pemakaian AC Voltage Controllers kebanyakan digunakan pada industrial heating,load transformer tap charging,light control,speed control of polyphase,induction motor and AC magnet control.

Ada 2 tipe control secara umum dipakai yaitu :

1. ON-OFF Control2. PHASE ANGEL Control

AC Voltage Control diklarifikasikan kedalam 2 tipe yaitu :

1. Single phase controllers2. Three phase controllers

Kedua tipe ini masing-masing dibagi atas :

a. Unidirectional atau Half wave controlb. Bidirectional atau Full Wave Control

4.2 PRINSIP KONTROL ON-OFF

Prinsip control On-Off dapat dijelaskan dengan sebuah pengendali gelombang penuh atau satu fasa seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.1(a). Saklar thyristor menghubungkan sumber AC dengan beban untuk tn, saklar ditutup dengan sebuah gerbang penghambat pulsa untuk to waktu On, tn, biasanya terdiri dari sejumlah integral siklus. Thyristor akan On pada tegangan nol melalui tegangan masukan AC. Pulsa-pulsa gerbang untuk thyristor T1 dan T2, dan bentuk gelombang masukan dan keluaran diperlihatkan pada gambar 4.1(b).

Persamaan matematis :

Vs=Vmsin⍵ t (4.1)

Untuk dibeban is connected n cycle disconnecting m cycle

V o=[ n2π (n+m)∫0

2π

2V s2 sin2ωt .d (ωt ) ]

1/2

(4.2)

¿Vs√ nn+m

=V s√K , K=Duty Cycle

n = Switch On

m = Switch Off

Arus Maksimum Thyristor,

Im=¿

V m

R ¿ (4.3)

Im= n

2π (n+m )∫0

π

Im sin ωt.d (ωt )

¿Imn

π (n+m)=K . Imπ

(4.4)

Gambar 4.1 Kontrol ON-OFF

Arus rms dari thyristor,

I r=[ n2 π (n+m)∫0

π

Im sinωt . d (ωt ) ]1 /2

¿Im2 √ n

(n+m )=Im√K2 (4.5)

Contoh 4.1 :

Suatu AC Voltage Controller beban R= 10 Ohm, tegangan input rms 120V 60Hz, dengan m=75 dan n=25 cyclus. Hitunglah :

a. Tegangan Output rmsb. Daya outputc. Power factord. Arus rmse. Peak thyristor maximum current dan rms current

Jawab :

Diketahui :

Vs = 120V, f=60Hz

R = 10 ohm

m= 75 cyclus; n= 25 cyclus

Ditanyakan :

a. Vo (rms) = ……..?b. Po = ……..?c. PF = ……..?d. Io = ……..?e. Im,IR = ……..?

Penyelesaian :

V m=√2.120=169,7V

K= nn+m

= 2525+75

= 25100

=0,25

Maka :

a. V o (rms )=V s√K¿120√0,25=60V

I o (rms )=V o(rms)

R=6010

=6 Ampere

b. Po=I o2 . R=62 .10=360Watt

c. PF=Po

VA,dimanaVA=Vs . Is=120 x6=720Watt

¿360720

=0,5 lagging

AtauBisa jugaPF=√K=√0,25=0,5

d. I o (rms )=6 Ampere

e. The peak Thyristor

Im=V m

R=169,7V

10=16,97 A

Im=n

2π (n+m )∫0π

Im sinωt .d (ωt )

¿Imn

π (n+m)=K . Imπ

0,25 x 16,97π

=1,35 A

Arus rms Thyristor,

I R=[ n2n (n+m)∫0

π

Im sinωt .d(ωt)]1/ 2

¿Im2 √ n

(n+m )=Im√K2

¿ (16,97 ) √0,252

=4,24 A

4.3 PRINSIP KONTROL FASA (Phase angel Control)

Prinsip control fasa dapat dijelaskan berdasarkan gambar 4.2(a). Energi yang mengalir kebeban dikontrol dengan menunda sudut tembak thyristor T1. Gambar 4.2(b) mengilustrasikan pulsa-pulsa gerbang thyristor T1 dan bentuk gelombang tegangan masukan dan keluarannya. Dengan adanya diode D1, daerah hanya dapat bervariasi antara 70,7% dan 100%

Tegangan keluaran dan arus masuk tidak simetris mengandung komponen DC. Jika ada sebuah trafo masukan akan dapat menyebabkan masalah kejenuhan. Rangkaian ini adalah pengendali setengah gelombang satu fasa dan cocok hanya untuk beban resistif berdaya rendah, seperti pemanasan dab pencahayaan, karena aliran daya dikontrol oleh setengah gelombang positif tegangan masukan, jenis pengontrol ini dikenal juga dengan pengontrol banyak arah(Unidirectional).

Persamaan matematis :

V s=V m sinωt (4.6)

¿√2V ssin ωt

Delay angel T1 --- ⍵t=α

Rms output voltage,

V o=( 12π [∫απ

2V s2 sin2ωt .d (ωt )+∫α

2π

sin2ωt . d (ωt )])1/2

¿( 12 π [∫απ

(1−cos2ωt ) . d (ωt )+∫α

2π

(1−cos2ωt ) . d(ωt)])1 /2

(4.7)

¿V s [ 12π (2π−α+ sin2α3 )]

1 /2

Nilai tenggangan output rata-rata,

V dc=( 12 π [∫απ

2Vs2 sin2ωt .d (ωt )+∫α

2π

√2V s2sin 2ωt .d (ωt )])1 /2

(4.8)

¿2V s

2π(cos α−1)

Contoh 4.2 :

Single phase AC Voltage controller R=10 Ohm, tegangan input Vs=120V,60Hz,delay angle T1 α=π/2.Hitunglah :

a. Vo(rms) = …….?b. PF input = …….?c. Vdc (Average) = …….?d. Idc = …….?

GAMBAR 4.2 KONTROL SUDUT 1 FASA

Jawab:

Diketahui :

Vs = 120 V, f=60Hz

R = 10 Ohm

α = π/2

Dintanyakan :

a. Vo(Rms) = …….?b. PF input = …….?c. Vdc (Average) = …….?d. Idc (Avarage) = …….?

Penyelesaian :

a. V 0 (rms )=120√ 34 ¿103,92V

b. PF-

I 0 (rms )=V 0 (rms )

R=103,92

10=10,392 A

Load power,

P0=I 02 .R=(10,392)2 .10=1079,94Watt

VA=V s . I 0=120 x10,392=1247,04VA

PF=P0VA

=1079,941247,04

=0,866Lagging

c. Vdc = −120 √2π

=−27V

d. Idc = V dc

R=−2710

=−2,7Ampere

Catatan :

Tanda negative berarti arus input selama setengah siklus positif kurang dibandingkan arus masukan selama setengah siklus negative. Jika ada sebuah masukan trafo, inti trafo dapat terjadi saturasi. Pada prakteknya control unidirectional ini tidak dapat digunakan.

4.4 Pengontrol Dua Arah Satu Fasa Dengan Beban Resitif

Masalah arus masukan DC dapat dicegah dengan menggunakan control dua arah atau gelombang penuh.Pengontrolan satu fasa gelombang penuh dengan beban resitif, rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 4.3(a). Selama tegangan masukan setengah siklus positif, daya yang mengalir dikontrol oleh beberapa sudut tunda dari thyristor T1, dan Thyristor T2 mengontrol daya selama tegangan masukan setengah siklus negative. Pulsa-pulsa yang dihasilkan pada thyristor T1 dan T2 terpisah 180o. Bentuk gelombang tegangan masukan, tegangan keluaran dan sinyal gerbang T1 dan T2 diperlihatkan pada gambar 4.3(b).

Gambar 4.3 pengontrol gelombang penuh 1 fasa

Persamaan matematis :

V s=V m sinωt (4.9)

¿√V s sinωt

Delay angel T1 dan T2 -- α1 = α2 = α

Rms output Voltage,

V 0=( 2π [∫απ

2V s2 sin2ωt .d (ωt )])

1 /2

¿( 4V s2

4π [∫απ

(1−cos 2ωt ) . d (ωt ) ])1 /2

(4.10)

¿V s [ 1π (π−α+ Sin2α2 )]

1/2

Arus Beban rms,

I o (rms )=V o(rms)

R(4.11)

VA = Vs.Is

Po=I o2 . RWatt

Faktor Daya Input, PF

PF=Po

VA=V 0

V s=[ 1π (π−α+sin 2α

2 )]1 /2

(4.12)

Arus rata-rata Thyristor,

Gambar 4.3 pengontrol gelombang penuh 1 fasa

I A=12πR∫o

π

√2V ssinωt . d (ωt )

¿ √2V s

2πRcos(α+1) (4.13)

Arus rms thyristor,

IR=( 12π R2 [∫α

π

2V s2sin 2ωt .d (ωt )])1 /2

¿ [ 2V 2

4 π R2∫α

π

(1−cos2ωt ) . d (ωt )]1/2

(4.14)

¿V s

√2 R [ 1π (π−α+ sin 2α2 )]

1 /2

Contoh 4.3 :

Sebuah single phase full wave AC Voltage Controller dengan beban resitif R=10 Ohm, tegangan input rms 120 V 60 Hz, delay angel T1,T2 α1, α2, α=π/2. Hitungla :

a. Rms output voltage Vo

b. Input Power Factor, PFc. Average Current Thyristor, IA

d. Rms current of thyristor, IR

Jawab :

Diketahui :

Vs = 120Volt, F=60Hz

R = 10Ohm

α = π/2

Ditanyakan :

a. Vo (rms) = ……..?b. PF = ……..?c. IA = ……..?d. IR = ……..?

Penyelesaian :

a. Rms output Voltage,

V o (rms )=120√2

=84,85Volt

b. Rms load current,

I o (rms )=V o(rms)

R= 84,85

10=8,485 Ampere

VA=Vs . Is=120 x 8,485=1018,2VA

Po=I o2 . R=(8,485)2 .10=719,95Watt

PF=Po

VA=V o

Vs=[ 1π (π−α+ sin2α

2 )]1 /2

¿719,951018,2

=0,707 lagging

c. Average Thyristor Current,

I A=12πR∫α

π

√2V ssinωt . d (ωt )

¿ √2Vs2πR

cos(α−1)

¿ √2 x1202π .10

=5,7 A

d. Rms Thyristor Current,

IR=( 12π R2 [∫α

π

2V s2sin 2ωt .d (ωt )])1 /2

¿( 2V s2

4 π R2∫α

π

(1−cos2ωt ) . d (ωt ))1/2

¿V s

√2 R [ 1π (π−α+ sin 2α2 )]

1 /2

¿1202x 10

=6 A

4.5 Pengontrol satu fasa dengan beban Induktif

Telah diuraikan pengontrol satu fasa dengan beban resistif pada bagian 4.4 pada prakteknya, hamper semua beban adalah bersifat induktif. Pengontrol gelombang dengan beban RL ditunjukkan pada gambar 4.4(a). Kita asumsikan bahwa Thyristor T1 Firing pada waktu setengah siklus positif dan membawa arus beban. Karena induktansi pada rangkaian, arus thyristor T1 tidak akan menuju nol pada ⍵t=π, ketika tegangan masukan mulai menjadi negative, Thyristor T1 akan terus terhubung sampai arus i1 jatuh menjadi nol pada ⍵t=β. Sudut konduksi thyristor T1 adalah δ=β−α dan tergantung pada sudut tunda α dan sudut factor daya beban θ. Bentuk gelombang dan pulsa-pulsa gerbang diperlihatkan pada gambar 4.4(b).

Sinyal-sinyal gerbang thyristor dapat berupa pulsa-pulsa pendek untuk pengontrol dengan beban resitif. Namun demikian pulsa-pulsa pendek tersebut tidak cocok untuk beban induktif. Sebagaimana diperlihatkan pada gambar 4.4(b). Ketika thyristor T2 firing pada ωt=π+α, thyristor T1 masih terhubung karena beban induksi. Pada saat arus thyristor T1 jatuh menjadi nol dan T1 menjadi off pada ωt=β=a+δ, pulsa gerbang thyristor T2 telah berhenti dan mengakibatkan T2 tidak menjadi On. Hasilnya hanya thyristor T1 akan beroperasi, yang mengakibatkan gelombang tidak simetris pada arus dan tegangan keluaran. Kesulitan ini dapat diatas dengan menggunakan sinyal-sinyal gerbang yang kontinyu dengan masa durasi (π-α) seperti pada gambar 4.4(c). Namun demikian,pulsa gerbang yang kontinyu akan menyebabkan meningkatnya rugi saklar thyristor dan memerlukan trafo isolasi yang lebih besar untuk rangkaian gerbang.Biasanya digunakan pulsa-pulsa dengan durasi pendek untuk mengatasi masalah ini seperti gambar 4.4(d).

Gambar rangkaian 4.4 pengontrol gelombang penuh 1 fasa beban RL

Persamaan matematis :

Vs= VL + VR

¿ L didt+R . i1 ( t )=√2V s sinωt (4.15)

i1=√2V s

Z.sin (ωt−θ )+A1 e

−tR/L (4.16)

Z=[R2+(ω )2 ]1 /2 ,ωt=α , i1=0 (4.17)

A1=−√2V s

Z. sin (ωt−θ ) . e

( RL )( aw )(4.18)

i1=√2V s

Z[ sin (ωt−θ )−sin (α−θ ) . e

(RL )(

aw−t)] (4.19)

Sudut β,Saat i1 ke zero dan T1 ke off,didapat i1 (ωt=β )=0,sin (ωt−θ ) .e( RL )(α− β

ω )

Dimana β=extending angel

V 0 (rms )=( 22π [∫αβ

2V S2 sin2ωt .d (ωt )])

1/2

¿¿¿ (4.20)

V s=[ 1π (β−α+ sin 2 β2 ) ]

1/4

Arus rms thyristor,

IR=( 12π [∫αβ

i12 . d (ωt )])

1/ 2

¿V s

Z¿¿ (4.21)

¿V s

√2 R¿¿

Gambar rangkaian 4.4 pengontrol gelombang penuh 1 fasa beban RL

I 0 (rms )=( I R2 + IR2 )=√2. I R (4.22)

Arus rata-rata thyristor,

I A=12π∫α

β

i . d (ωt )

¿ √2V s

2 πZ ∫α

β [ sin (ωt )−sin (α−β ) e(RL )( aw−t )]d .(ωt) (4.23)

Catatan :

1. α=0 ,maka sin (β−θ )=sin (β−α )=0 ; β−α=δ=π2. θ<α<π

BAB 5

KONVERTER DC/DC (Chopper)

5.1 PENDAHULUAN

Pada banyak aplikasi industry, diperlukan untuk mengubah sumber tegangan dc tetap menjadi sumber tegangan dc yang bersifat variable. DC Chopper mengubah secara lansung dari dc ke dc dan biasanya hal ini biasa disebut disebut converter dc ke dc.Chopper dapat disebut sebagai dc, sama dengan trafo ac dengan mengsuplai tegangan yang variable secara terus menerus. Seperti trafo, chopper dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan sumber tegangan dc.

DC Chopper merupakan rangkaian yang mengkonversi input DC yang tidak dikontrol ke output DC yang dikontrol dengan tingkat tegangan yang diinginkan.Ada dua macam cara pengolahan daya : tipe linier dan tipe peralihan(Switching).Tergantung dari jenis aplikasinya, masing-masing tipe memiliki kelebihan dan kekurangan.

Namun dalam perkembangannya, tipe peralihan Nampak semakin terlihat kepopulerannya terutama karena kelebihannya dalam mengubah daya secara jauh ebih efisien dan pemakaian komponen ukurannya lebih kecil. Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan dikenal juga dengan sebutan DC Chopper.

DC Chopper dimamfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap.

Pada dasarnya, penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama.Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah swith (Solid State electronic switch) seperti misalnya Thyristor,MOSFET,IGBT,GTO.

Chopper secara luas digunakan untuk mengkontrol perputaran motor traksi pada automobile elektrik, mobil trolley,kapal pengangkut, truk forklift dan lain-lain. Chopper menghasilkan putaran yang baik, efisiensi yang tinggi dan respons dinamik yang tepat.

Selain itu dapat pula digunakan untuk pengereman regenerative pada motor-motor DC untuk mengembalikan energy pada sumber, dan hal ini menghasilkan adanya penghematan energy transportasi dengan adanya penghentian yang sering dilakukan. Chopper digunakan pada regulator tegangan dc dan juga digunakan pada penghubung dengan inductor,untuk membangkitkan sumber arus dc,terutama untuk pembalik arus.

Secara umum ada dua fungsi pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikan tegangan (step-up)dimana tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, dan penurunan tegangan(step-down) dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.

5.2 PRINSIP KERJA DC CHOPPER

DC Chopper mempunyai Prinsip kerja diantara lain :

a. Prinsip kerja step-DownPrinsip kerja step down dapat dijelaskan melalui gambar 5.1(a).Ketika saklar SW ditutup selama waktu t1,tegangan masukan Vs muncul melalui beban.Bila saklar tetap off selama waktu t2, tegangan melalui beban dan arus beban juga ditunjukkan pada gambar 5.1(b)

Tegangan keluaran rata-rata diberikan oleh :

V o=1T ∫

0

t1

Vodt=t1TV s=ft V s=k V s (5.1)

Dan arus beban rata-rata,

I a=V a

R=k V s /R (5.2)

Dengan T adalah periode chopping, k=t1/T adalah duty cycle chopper, dan f adalah frekuensi chopping. Nilai rms tegangan keluaran ditentukan dari :

V 0 (rms )=( 1T [∫0k T

vo2 . dt ])

1 /2

(5.3)

¿√k V s

Pi=1T∫0

kT

vo2 . dt= 1

T∫0kT

.V o2

Rdt=k

V s2

R(5.4)

Dengan mengasumsikan bahwa tidak ada rugi-rugi pada chopper maka daya masukan pada chopper sama dengan daya yang diberikan dengan, resistansi masukan efektif yang dilihat dari sumber adalah :

R1=V s

I α=

V s

k V s /R= Rk

(5.5)

Duty cycle k dapat divariasikan dari 0 sampai 1 dengan bervariasi menurut t1, T dan f. Maka tegangan keluaran V0 dapat divariasikan dari 0 sampai Vs dengan mengatur k, dan aliran daya dapat diatur melalui :

1. Operasi pada frekuensi konstan.

Frekuensi chopping f(atau periode chopping T) dijaga tetap dan waktu on t1 divariasikan. Lebar pulsa bervariasi dan control jenis ini dikenal dengan nama control pulse-width-modulation(PWM).

2. Operasi Pada frekuensi yang variable

Gambar 5.1 Chopper Step-down dengan beban resistif

Frekuensi chopping f bervariasi. Pada waktu on t1 atau pada waktu off t2 dijaga tetap. Ini disebut modulasi frekuensi.Frekuensi divariasikan untuk batasan yang lebar untuk mendapatkan batasan tegangan keluaran yang penug.Kontrol jenis ini membangkitkan harmonisa pada frekuensi yang tidak bias ditentukan sehingga akan sangat sulit untuk merancang filter.

Contoh 5.1 :

Chopper dc gambar diatas (Gambar 5.1), dengan nilai tahanan R=10 Ohm, dan Vs=220V, Voltage drop 2V,Frekuensi chopping f=1 kHz, duty cycle 50%. Hitung :

a. Tegangan output rata-ratab. Tegangan rms outputc. Efesiensid. Tahanan input efektife. Harga rms dari komponen fundamental dari teganga harmonic keluaran

Jawab :

Diketahui :

R= 10 Ohm, Vs=220 V, Voltage drop=Vch 2 V, frekuensi chopping

F= 1 kHz, Duty Cycle=k=50%=0,5

Dintanyakan :

a. V0 = ……….?b. V0(rms) = ……….?c. N = ……….?d. Ri = ……….?e. V0(t) = ……….?

Penyelesaian :

a. V 0=k V s=(0,5 ) . (220−2 )=109Vb. V 0 (rms )=√kV s=¿c. Daya Keluaran :

P0=1T ∫

0

kT

.V o2

Rdt=¿∫

0

kT

.(V s−V ch

)1 /2

Rdt=k

V s−V ch

R¿

¿0,5 220−210=2376,2Watt

Daya masukkan :

P1=1T∫0

kT

V s .i dt=∫0

kT

.Vs (V s−V ch )

Rdt=k Vs (Vs−Vch )

R

¿0,5(220 ) . (220−2)

10 =2398Watt

n=P0P1

=2376,22398

x100%=99,09%

d. Ri=V s

I a=

V s

(k .V )2=Rk= 100,5

=20Ohm=Ra

e. V 0 (t )=k V s+V s

n .π∑n=1∞

sin 2n πk cos2nπft+V s

n .π∑n=1∞

¿¿¿¿¿

n=1 ,

V 1 (t )=V s

π¿

¿220−2

π [sin (2π .1000 t)]=140,06 sin (6283,2 t)

¿140,06

√2=99,04V

b. Prinsip kerja step-upChopper dapat digunaka untuk menaikkan tegangan dc.susunan kerja untuk operasi

step-up ditunjukkan pada gambar. Bila saklar dibuka selama waktu t2, energy yang tersimpan pada inductor akan dipindahkan kebeban melalui diode D1 dan arus inductor menjadi jatuh. Dengan asumsi bahwa arus yang mengalir adalah tetap, bentuk gelombang untuk inductor ditunjukkan pada gambar 5.2.

Gambar 5.2 susunan kerja untuk operasi step-up

Bila chopper di On-kan, tegangan yang melalui inductor adalah ;

V L=L didt (5.6)

Dan ini memberika arus ripple puncak pada inductor,

∆ I=VsLt 1 (5.7)

Tegangan keluaran instantaneous adalah :

V 0=V s+L∆ It2

=V s(1+ t 1t 2 )=V s11−k

(5.8)

Bila sebuah kapasitor CL dihubungkan dengan beban seperti terlihat pada garis putus-putus pada gambar 5.3, Tegangan keluaran akan tetap dan V0 akan menjadi nilai rata-rata Va. Instantaneous bahwa tegangan yang melalui beban dapat dinaikkan dengan memvariasikan duty cycle, k dan tegangan keluaran minimum adalah Vs bila k=0.

Namun demikian chopper tidak dapat On terus- menerus shingga k=1. Untuk nilai k yang cenderung menuju satu, tegangan keluaran menjadi sangat besar dan sangat sensitive untuk mengubah nilai k, seperti terlihat pada gambar 5.3(a).

Prinsip ini dapat diaplikasikan untuk memindahkan energy dari satu sumber tegangan ke lainnya seperti terlihat pada gambar 5.3(a). Rangkaian ekivalen untuk mode-mode operasi ditunjukkan pada gmabar 3.11(c). Arus inductor untuk mode I diberikan sebagai berikut.

V s=Ldi1dt

(5.9)

Dan dinyatakan sebagai,

I 1 ( t )=V s

Lt+ I1 (5.10)

Gambar 5.2 susunan kerja untuk operasi step-up

Dimana i1 adalah arus mula untuk mode 1. Selama mode 1, arus harus menungkat dan kondisi yang penting adalah,

didt

>0Untuk V s>0

Arus untuk mode 2 diberikan sebagai berikut,

V s=Ldi2dt

+E (5.11)

Dan penyelesaian adalah ;

i2 ( t )=V s−EL

t+ I2 (5.12)

Dengan I2 adalah arus mula untuk mode 2. Untuk system yang stabil, arus harus turun dan kondisi yang memenuhi adalah;

Gambar 5.3 susunan gelombang arus

di2dt

<0danV s<E

Bila kondisi ini tidak memenuhi, arus inductor akan tetap naik dan akan menjadi tidak stabil. Maka, kondisi untuk pemindahan daya yang terkontrol adalah :

0<V s<EPersamaan (5.12) menyatakan bahwa sumber tegangan Vs, Harus lebih kecil dari tegangan E

agar transfer daya dari sumber yang tetap (atau Variable) ketegangan DC tetap bias dilakukan, pada pengereman elektris motor-motor dc, dengan motor-motor bekerja sebagai generator dc, tegangan terminalnya akan jatuh bila kecepatan mesin berkurang. Chopper dapat memindahkan daya kesumber dc tetap atau rheostat.

Bila chopper di-on-kan, energy akan dipindahkan dari sumber Vs ke inductor L. dan bila chopper di-off-kan sejumlah energy yang tersimpan pada inductor akan dipindahkan ke baterai E.

5.3 RANCANGAN RANGKAIAN CHOPPER

Yang paling diharapkan untuk rancangan ragkaian komtasi adalah mendapat sesuatu yang memuaskan waktu turn-off untuk mensaklar thyristor utama ke-off. Analisis-analisis dari bentuk persamaan untuk chopper klasik, memperlihatkan bahwa waktu turn-off tergantung pada tegangan kapasitor komutasi Vc.

Adalah sangatlah lebih sederhana merancang rangkaian komutasi bila induktansi sumber dapat diabaikan atau arus beban tidak tinggi, tetapi dikasus arus beban lebih tinggi induktansi kesasar yang selalu muncul dalam praktek. Induktansi sumber membuat persoalan rancangan non-linier dan metode interactive diharapkan menghitung komponen komutasi dari piranti daya tergantung pada induktansi seumber dan arus beban.

Tidak ada aturan yang tetap untuk merancang rangkaian chopper dan berbagai rancangan dengan tipe rangkaian yang terpakai. Perancangan memiliki batasan-batasan luas dari pilihan dan nilai komponen Lm, C. komponen dipengaruhi oleh tegangan puncak dan tegangan yang diizinkan. Batas-batas tegangan dan arus komponen Lm,C dan piranti memberikan batasan maksimum.

Langkah-langkah dalam perancangan :1. Identifikasi tipe-tipe operasi untuk rangkaian chopper.2. Hitung rangkaian equivalen sesuai tipe.3. Hitung arus dan tegangan sesuai tipe dan bentuk gelombangnya.4. Evaluasi nilai komponen komutasi Lm, C yang cocok dengan batas rancangan.5. Hitung batas tegangan dan arus dari komponen dan piranti.

Kita dapat mencatat bahwa tegangan keluaran berisi harmonic-harmonik, sehingga filter tipe C, tipe L dan LC bias dihubungkan ke output yang diharapkan untuk mengurangi keluaran harmonic.

Sebuah chopper dengan beban induktif yang tinggi seperti ditunjukkan pada gambar 5.4. arus beban ripple diabaikan(∆ I=0¿. Bila arus beban rata-rata adalah Ia , arus beban puncak adalah

inh (t )=kI a+I anπ∑n=1

∞

sin 2πk .cos2nπft+¿I anπ∑n=1

∞

(1−cos2πfk ¿)sin 2nπf ¿¿ (5.13)

Komponen fundamental (n=1), arus harmonis yang dibangkitkan chopper pada bagian masukan diberikan,

iIh (t )=I aπsin 2πk .cos 2πft+

I aπ

(1−cos2πk )sin 2πft (5.14)

Nilai Harmonis ke-n pada sumber dapat dihitung,

ins (t )= 11+(2 πf )2 LeC e

I nh=1

1+( nff 0

)2 (5.15)

Gambar 5.4 bentuk gelobang arus masukan chopper

Dimana f adalah frekuensi chopper dan f 0=1/ (2 π √LeC e ) adalah frekuensi resosinansi system.

Bila (f/f0) >>1, yang merupakan kasus umum, arus hermonis ke-n pada sumber menjadi,

I ns=I nh( f 0nf ) (5.16)

Frekuensi chopping yang tinggi mengurangi jumlah elemen filter masukan. Namun frekuensi harmonis yang dibangkitkan oleh chopper pada sumber line juga meningkat, hal ini dapat menyebabkan masalah interfensi terhadap sinyal control dan komunikasi.

Gambar 5.5 Chopper dengan filter masukan

Gambar 5.6 rangkaian pengganti untuk arus harmonik

Contoh 5.2 :

Diinginkan merancang chopper komutasi impulse seperti gambar rangkaian berikut (gambar 5.7), dioperasikan dengan sumber tegangan Vs=220V dan arus beban puncak Im=440A. tegangan keluaran minimum harus harus lebih kecil 5% Vs dan arus resonansi puncak dibatasi menjadi 80% Im . waktu turn-off diingkan Ioff = 25 μs dan induktansi sumber L=4μ H . Hitunglah :

a. Nilai komponen LmCb. Frekuensi chopping maksimum yang diinginkanc. Rating semua komponen dan divais asumsikan bahwa arus ripple diabaikan.

Jawab :

Diketahui :

Vs = 220 V

Im = 440 A

Ioff = 25μs

Vo(min) = 0,05 x 220 = 11 V

L = 4μ H

Ditanyakan :

a. LmC = ……?b. Fchopping = ……?

Gambar 5.7 Chopper tiga thyristor impuls-commutated

c. Rating Komponen = ……?

Penyelesaian :

a. Waktu turn-off adalah :

t off=V s .CIm

=(V s+ Im√ L s

C )CI =V s .CIm

+√LC

Atau

(t off−V s .CIm )

2

= t2off +(V s .CIm )

2

−2V 2 .C t off

Im=LsC

Dengan mengsubtitusikan nilai : 25C2 – 29C + 625 = 0 didapatkan C=87,4 μF atau 28,6μ F. Pilih nilai C terkecil yaitu 28,6μ F dibulatkan 30μ F.

b. Tegangan lebih adalah ∆V=440√ 430=160VTegangan Kapasitor adalah V c=V s=220+160=380VoltArus resonansi puncak adalah :

I p=380√ 30Lm=0.8 x 440=352

Atau Lm = 34,96 μ H

Misalkan nilai Lm = 35μ H dan arus balik

t r=π √35x 30=101,8 μS ,waktu turn−off menjadi

t off=380 x ( 30440 )=25,9μs dandiperolehnilai

t d=220 x ( 30440 )=15 μsdanwaktu komutasit c=25,9+15=40,9 μs .

Frekuensi chopping dapat ditentukan melalui kondisi tegangan minimum sebagai berikut :

¿∨¿ f [ (220 x110,8 )+(0,5 x40,9 ) x (380+220 ) x 10−6 ]atau f=317Hz

C. Penentuan rating peralatan dan piranti :

T1 : Arus rata-rata Iav = 440 A ( asumsi duty cycle k=1)

Arus puncak Ip = 440 + (0,8x 3340)=792 A

Arus rms maksimum karena beban Irms = 440 A

Arus rms karena resonansi balik.

Gambar 5.8 bentuk gelombang contoh 5.2