Download - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

85 downloads 2393 Views 477KB Size Report
3. SISTEM KONVERTER DC. Desain Rangkaian Elektronika Daya. Oleh : Mochamad Ashari. Profesor, Ir., M.Eng., PhD. Edisi I : cetakan I tahun 2012.
 

SISTEM KONVERTER DC   

Desain Rangkaian Elektronika Daya 

  Oleh : 

Mochamad Ashari  Profesor, Ir., M.Eng., PhD. 

     

Edisi I  : cetakan I tahun 2012  

  Diterbitkan oleh:    ITS Press.          Hak Cipta dilindungi Undang‐undang  Dilarang mencetak dan menerbitkan sebagian atau seluruh isi buku  ini dengan cara dan dalam bentuk apapun tanpa persetujuan  tertulis penerbit

ISBN 978‐602‐9494‐13‐6 

  3 

 

 

KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penulis memanjatkan puji syukur kehadlirat Allah SWT atas terselesaikannya buku “Sistem Konverter DC, Desain Rangkaian Elektronika Daya”. Buku ini diterbitkan sebagai serial yang pertama, yaitu berfokus pada sistem konverter dc atau konverter yang menghasilkan keluaran dc. Buku serial berikutnya Insya Allah akan diterbitkan dalam waktu yang tidak terlalu lama, membahas tentang sistem konverter ac. Buku ini sangat bermanfaat bagi mahasiswa, peneliti, maupun praktisi di industri dalam mengetahui sistem, prinsip kerja dan perancangan konverter dc. Bagi mahasiswa, buku ini digunakan sebagai buku pegangan mata kuliah Elektronika Daya, khususnya bagi mahasiswa semester 5 di Jurusan Teknik Elektro – Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya. Para peneliti dan praktisi di industri atau badan riset pengembangan dapat memanfaatkan buku ini sebagai buku pegangan, serta memanfaatkan untuk melakukan verifikasi terhadap data-data yang dikeluarkan oleh vendor atas suatu perangkat. Dalam buku ini dibahas 2 macam konverter dc, yaitu ac-ke-dc, dan dc-ke-dc. Namun, sebelumnya didahului dengan pembahasan hal-hal pendukung, seperti saklar semikonduktor, kondisi peralihan beban-beban listrik, dan karakteristik sistem dengan saklar yang bekerja periodik. Penulis menyampaikan penghargaan yang tinggi kepada pihakpihak yang telah berkontribusi dalam penyusunan buku ini,   4 

 

termasuk anggota Lab Konversi Energi dan kolega Jurusan Teknik Elektro ITS. Penulis menyadari segala keterbatasan dan kekurangan, sehingga umpan balik atau koreksi dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan buku ini.

Surabaya,

Juli 2012

Prof.Ir.Mochamad Ashari, M.Eng, PhD.      

  5 

 

Daftar Isi   BAB 1 REKAYASA ELEKTRONIKA DAYA 



1.1.  Saklar Elektro Mekanik 

15 

1.2.  Saklar Semikonduktor: Transistor 

16 

1.3.  Saklar Semikonduktor: Thyristor 

20 

1.4.  Saklar Semikonduktor: Dioda 

22 

2.1.  Beban R 

27 

2.2.  Beban RL 

28 

2.3.  Beban RC 

34 

2.4.  Beban LC 

39 

2.5.  Beban Baterai 

43 

BAB 3 EFEK POLA PENYAKLARAN PERIODIK 

47 

3.1.  Arus Input Konverter dc 

50 

3.2.  Deret Fourier 

54 

BAB 4 SISTEM KONVERTER 1 FASA AC KE DC 

63 

4.1.  Penyearah Setengah Gelombang - Tak Terkontrol 

64 

4.2.  Penyearah Setengah Gelombang - Terkontrol 

73    6 

 

4.3.  Penyearah Gelombang Penuh - Tak Terkontrol 

75 

4.4.  Penyearah Gelombang Penuh - Terkontrol Semi dan Terkontrol Penuh  84  BAB 5 SISTEM KONVERTER 3 FASA AC KE DC 

87 

5.1.  Penyearah 3 Pulsa 

87 

5.2.  Penyearah 6 Pulsa 

92 

5.3.  Penyearah 12 Pulsa 

95 

BAB 6 SISTEM KONVERTER DC KE DC 

100 

6.1.  Konverter Buck 

101 

6.2.  Konverter Boost 

110 

6.3. Konverter Buck Boost

114

DAFTAR PUSTAKA

118

  7 

 

BAB 1 REKAYASA ELEKTRONIKA DAYA

Elektronika Daya adalah bidang ilmu yang mengembangkan sistem pengonversi energi listrik menggunakan saklar-saklar semikonduktor.

Sistem

pengonversi

energi

merupakan

rangkaian elektronik yang berfungsi mengendalikan aliran energi, misalnya dari ac ke dc, dari dc ke ac, memperbaiki kualitas tegangan dan sebagainya. Perangkat pengonversi energi listrik banyak digunakan di sektor rumah tangga, industri, sistem ketenaga-listrikan, misalnya peralatan pengisi baterai telepon seluler, Uninterruptible Power Supply (UPS), filter aktif dan sebagainya. Seiring dengan kemajuan teknologi, sistem pengonversi energi telah mengalami kemajuan yang sangat cepat dalam beberapa dasawarsa terakhir. Pada awalnya, tegangan dc diperoleh langsung dari suatu generator dc, atau dari

motor

ac

yang digandeng dengan generator

dc.

Perkembangan berikutnya, digunakan sebuah transformator yang dilengkapi dengan diode sebagai penyearah tegangan. Pada akhir abad 20 dan awal abad 21, peralatan penyearah tegangan telah berubah menjadi sebuah kotak kecil yang berukuran 70% dibanding sistem dengan kapasitas sama menggunakan transformator, atau berukuran hanya 10% dibanding generasi motor-generator. Gambar 1.1 menunjukkan ilustrasi perubahan teknologi sistem penyearah tegangan.   8 

 

    

    

 

Gambar 1.1. Perubahan teknologi sistem penyearah tegangan

Elektronika daya tersusun atas 4 bidang utama dalam lingkup Teknik Elektro, yaitu: 1. 2. 3. 4.

Teknik Sistem Tenaga Elektronika Sistem Kendali Pemrosesan Sinyal

Gambar 1.2 menunjukkan keterkaitan 4 bidang utama terhadap teknologi Elektronika daya. Sebagai contoh adalah teknologi alat pengisi baterai dalam suatu telepon seluler atau laptop. Peralatan tersebut merupakan mesin statik yang menggunakan saklar

semikonduktor.

Saklar-saklar

semikonduktor

dikendalikan oleh rangkaian elektronik yang menggunakan umpan balik tertutup untuk menjaga kestabilan dan keakuratan hasil keluarannya. Proses pengendalian dapat menggunakan teknik

analog

yang

memanfaatkan

op-amp,

ataupun

menggunakan teknik digital yang berbasis pemrograman dikombinasi dengan sistem kecerdasan buatan.   9 

 

 

Konversi Energi

Kualitas Daya 

Digital Signal  Processing 

Proses Sinyal: analog, digital 

Sistem Tenaga: mesin statik 

ELEKTRONIKA  DAYA 

Elektronika: sistem rangkaian  Microcontroller/  Microprocessor 

Sistem Kecerdasan  Buatan 

Sistem Kendali: open/ closed  loop 

Sistem  Kestabilan 

Rangkaian Linier/  Op‐Amp 

Semiconductor Devices

Gambar 1.2. Susunan Elektronika Daya dan 4 bidang utama dalam lingkup Teknik Elektro

Di sisi aplikasi perangkat keras, gabungan beberapa bidang tersebut membentuk suatu perangkat Elektronika Daya, yang berperan sebagai antarmuka antara sumber tegangan dan beban, seperti terlihat pada Gambar 1.3. Beban-beban yang dipikul dapat berupa motor listrik, kapasitor bank, baterai, ataupun alatalat elektronik seperti radio, TV, komputer, lampu pendar (fluorescent).

  10 

 

Sumber  Tegangan 

Perangkat  Elektronika  Daya 

  Beban Listrik 

Gambar 1.3 Diagram blok suatu sistem dengan perangkat Elektronika Daya

Gambar 1.3 menunjukkan pula arah aliran daya, yaitu dari sumber ke beban. Pada perangkat tersebut, daya ditransfer dari sumber untuk digunakan oleh beban. Parameter-parameter utama yang perlu mendapat perhatian adalah: 

Tegangan (satuan Volt), pengamatan meliputi besaran dan bentuk gelombang



Arus (satuan Ampere), meliputi besaran dan bentuk gelombang, sudut fasa



Daya aktif (satuan Watt), merupakan daya rata-rata



Energi (satuan Watt jam atau Wh), merupakan hasil perkalian antara daya dan waktu dalam rentang tertentu

Sistem perangkat Elektronika Daya beroperasi berdasarkan prinsip on-off, atau menggunakan saklar untuk mengubah status memutus dan menyambung. Dengan prinsip on-off, proses konversi energi bekerja pada efisiensi yang cukup tinggi. Gambar 1.4 adalah ilustrasi terhadap 2 macam perangkat untuk menurunkan tegangan dc. Gambar 1.4 adalah perangkat pengkonversi energi, berupa sebuah kotak dengan garis putus  11 

 

putus yang memiliki 2 terminal input (Vin) dan 2 terminal output (Vout). Untuk mempermudah penjelasan, dimisalkan tegangan input = 100 volt dc dan tegangan output = 20 volt dc. Cara pertama (Gambar 1.4.a) menggunakan metode pembagi tegangan berupa R1 dan R2, sedangkan cara kedua (Gambar 1.4.b) menggunakan saklar on-off. Gambar bagian bawah adalah bentuk gelombang tegangan output yang dihasilkan oleh kedua macam metode.

to Vin

Vin

Vout  

T a)

Metode pembagi tegangan

b) Metode saklar

Gambar 1.4. Metode menurunkan tegangan

Metode pertama menghasilkan tegangan output Vout sesuai persamaan berikut:

  12