modul praktikum elektronika daya

advertisement
modul praktikumelektronika daya
MODUL PRAKTIKUM
ELEKTRONIKA DAYA
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
2017
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 1
BRIEFING PRAKTIKUM
Briefing praktikum dilaksanakan hari Kamis 05 April pukul 18.45 - selesai di Kelas
K210. Seluruh praktikan wajib hadir karena briefing tedapat pre-test. Materi pre-test
dapat di pelajari pada Bab 1 di buku Power Electronics Circuits, Devices, and
Applications – M. H. Rashid dan Power Electronics – Ned Mohan.
1
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 2
DIODA DAYA
Tujuan
1. Memahami karateristik dari Dioda Daya
2. Memahami jenis-jenis dari Dioda Daya
Dasar Teori
Dioda daya merupakan device semikonduktor yang terdiri dari anoda dan
katoda, yang dipergunakan untuk daya yang besar. Prinsip kerja dari dioda daya
sama dengan dioda sinyal yaitu secara umum adalah dioda akan on (konduksi)
apabila tegangan yang diberikan pada anoda lebih besar dari tegangan katoda
(Vs > 0 ). Pada saat on dioda dapat digambarkan sebagai rangkaian short circuit,
sedangkan pada saat off dioda dapat digambarkan sebagai rangkaian open circuit.
Berdasarkan prinsip kerja dioda maka dalam aplikasinya dalam elektronika daya
dioda digunakan sebagai penyearah.
Dioda dilambangkan seperti pada gambar di bawah ini :
Yang membedakan dioda daya dengan dioda sinyal yaitu dioda daya:
•
Memiliki daya yang besar
•
Kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih besar
•
Kecepatan pensaklaran (respon frekuensi) lebih rendah
2
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Kurva karakteristik dioda daya:
Dioda daya dapat dibagi menjadi tiga jenis antara lain:
•
General-purpose diodes
•
Fast-recovery Dioda
•
Dioda Schottky
Hal-hal yang perlu dipelajari:
a. Dasar divais elektronika
b. Tipe-tipe pencatuan pada dioda
c. Kurva karakteristik Dioda
d. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid
(Chapter: Power Semiconductor Diodes & Circuit)
Peralatan Percobaan
•
Software Pspice
•
Software ORCAD
3
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
•
Power Electronic Simulation
Prosedur Percobaan
1. Buka Pspice, buka file Half_wave_rectifier_FWD.mdl
2. Atur besar nilai resistor sesuai dengan yang ditentukan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
5. Lakukan langkah 2-4 dengan beban resistif-induktif (terhubung seri) dan beban
resistif-kapasitif (terhubung seri).
Tugas
1. Gambarkan rangkaian percobaan di atas dengan komponen komponennya!
2. Gambarkan abentuk gelombang keluaran di atas untuk masing-masing
beban!
4
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 3
DIODA RECTIFIERS
Tujuan
1. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah setengah gelombang
tanpa beban pada sumber satu fasa.
2. Melihat bentuk gelombang yang dihasilkan pada beban yang berbeda.
3. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah gelombang penuh
tanpa beban pada sumber satu fasa.
4. Melihat bentuk gelombang yang dihasilkan pada beban yang berbeda.
Dasar Teori
1. Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa
Penyearah setengah gelombang merupakan penyearah tegangan bolak
balik ( AC ) menjadi tegangan DC dengan melewatkan tegangan pada saat
tegangan yang diberikan pada anoda lebih besar dari tegangan pada katoda.
Sehingga bentuk gelombang keluaran yang dihasilkan akan terjadi pada setengah
perioda dengan tegangan yang dihasilkan adalah nol pada period yang lainnya.
Rangkaian penyearah setengah gelombang:
2. Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa
5
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Pada saat tegangan input ( Vs ) yang diberikan >0 maka D1 dan D4 akan
menghantar ( konduksi ) dan selama Vd<0 maka D2 dan D3 akan menghantar.
Fungsi dari dua buah dioda yang bekerja secara bersamaan adalah sebagai
pembalik gelombang sehingga gelombang keluaran yang didapat pada setiap
periodanya tidak ada gelombang yang bernilai nol.
Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh:
Hal-hal yang perlu dipelajari:
a. Aplikasi diode sebagai penyearah setengah gelombang
b. Aplikasi diode sebagai penyearah gelombang penuh
c. Aplikasi diode sebagai penyearah tiga fasa
d. Buku Power Electronics karangan Muhammad H. Rashid
(CHAPTER : DIODE RECTIFIERS)
Peralatan Percobaan
A. Percobaan 1 (Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa)
1. Seperangkat Komputer
2. Software Pspice
B. Percobaan 2 (Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa)
1. Seperangkat Komputer
2. Software MATLAB
6
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Prosedur Percobaan
A. Percobaan 1
1. Buka Pspice, buka file Half_wave_rectifier_FWD.mdl
2. Atur besar nilai resistor sesuai dengan yang ditentukan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
5. Lakukan langkah 2-4 dengan beban resistif-induktif (terhubung seri) dan beban
resistif-kapasitif (terhubung seri).
B. Percobaan 2
1. Buka MATLAB, buka file Full_wave_rectifier.mdl
2. Atur besar nilai resistor sesuai dengan yang ditentukan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
5. Lakukan langkah 2-4 dengan beban resistif-induktif (terhubung seri) dan beban
resistif-kapasitif (terhubung seri).
Tugas
1. Gambarkan rangkaian percobaan di atas dengan komponen komponennya!
2. Gambarkan abentuk gelombang keluaran di atas untuk masing-masing
beban!
3. Gambarkan rangkaian percobaan di atas dengan komponen komponennya!
4. Gambarkan bentuk gelombang keluaran di atas untuk masing-masing beban!
7
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 4
THYRISTOR
Tujuan
1. Memahami karakteristik dan prinsip kerja thyristor.
Dasar Teori
Thyristor adalah divais semikonduktor daya yang berfungsi sebagai switch,
yang beroperasi dari keadaan non konduksi menjadi keadaan konduksi. Thyristor
tersusun atas 4 lapisan p-n-p-n dengan tiga sambungan pn. Thyristor memiliki tiga
terminal, yakni anoda, katoda, dan gate.
Ketika tegangan anoda lebih positif dibanding katoda, maka J1 dan J3 akan
forward biased, sedangkan J2 akan reverse biased, sehingga hanya sedikit arus yang
bisa mengalir dari anoda ke katoda. Kondisi ini dinamakan forward blocking.
Jika tegangan antara anoda dan katoda ditingkatkan, maka daerah deplesi
di J2 akan hilang, yang dinamakan avalanche breakdown, sehingga terjadi aliran
muatan dari anoda ke katoda. Kondisi ini disebut kondisi ON atau konduksi. Arus
anoda harus lebih besar dari latching current supaya tetap terjadi aliran muatan, jika
tidak, maka akan terjadi kondisi blocking. Holding current adalah arus minimum pada
anoda yang dibutuhkan untuk membuat thyristor tetap dalam kondisi on.
8
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Saat tegangan katoda lebih positif dibanding anoda, maka J2 akan forward
biased sedangkan J1 dan J3 reverse biased. Thyristor akan berada dalam kondisi
reverse blocking.
Karakteristik tegangan-arus pada thyristor adalah sebagai berikut:
Thyristor akan aktif dengan meningkatkan arus anoda. Caranya dengan
pemanasan, pencahayaan, tegangan tinggi, dv/dt, atau arus gate. Jika thyristor
forward biased, pemberian pulsa pada gate akan mengaktifkan thyristor. Semakin
besar arus gate, maka tegangan forward blocking akan semakin menurun.
Thyristor dapat di off-kan dengan cara mengurangi arus forward ke tingkat di
bawah holding current. Ada beberapa metode untuk men-off-kan thyristor, yang
disebut teknik komutasi. Teknik komutasi ada yang bersifat natural dan forced.
Berdasarkan konstruksi dan karakteristik on/off nya, thyristor dibedakan
menjadi 9 kategori:
1.
Phase-control thyristor (SCRs).
2.
Fast-switching thyristor (SCRs).
3.
Gate-turn-off thyristor (GTOs).
4.
Bidirectional triode thyristor (TRIACs).
5.
Reverse-conducting thyristor (RCTs).
6.
Static induction thyristor (SITHs).
9
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
7.
Light-activated silicon-controlled rectifiers (LASCRs).
8.
FET-controlled thyristors (FET-CTHs).
9.
MOS-controlled thyristor (MCTs)
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Perangkat lunak Matlab
Prosedur Percobaan
1. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap tegangan keluaran rata-rata pada
semikonverter satu fasa.
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink single_phase_semiconverter.
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan empat nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= α1 dan phase delay T2 = α2.
•
Amati dan gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk salah satu nilai fasa
yang digunakan.
•
Catat besarnya tegangan dari tiap variasi nilai fasa
2. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap bentuk tegangan keluaran pada
fullkonverter satu fasa dengan beban RL.
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink single_phase_fullcconverter.
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan empat nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= phase delay T2= α1 dan phase delayT3= phase delay T4 = α2.
•
Gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk masing-masing nilai fasa yang
digunakan.
3. Pengaturan kecepatan motor DC dengan pengontrolan fasa
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink dc_motor_control.
10
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan lima nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= α1 dan phase delay T2 = α2.
•
Catat besar kecepatan dalam rpm yang terlihat pada osiloskop.
11
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 5
PENYEARAH TERKONTROL
Tujuan
1. Memahami penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh satu
fasa menggunakan thyristor.
2. Memahami aplikasi thyristor pada pengaturan kecepatan motor DC.
Dasar Teori
Thyristor pengontrolan fasa digunakan untuk menghasilkan tegangan
keluaran yang dapat diatur besarnya, caranya dengan mengatur waktu tunda atau
sudut penyalaan pada thyristor. Thyristor diaktifkan dengan memberikan pulsa pada
gatenya.
Berdasarkan tegangan masukannya, konverter pengontrolan fasa dibedakan
menjadi konverter satu fasa dan konverter tiga fasa. Pada setengah siklus positif,
thyristor akan on setelah gatenya diberikan pulsa dengan waktu tunda sebesar α.
setelah ωt > α, maka thyristor akan on dan tegangan pada beban sama seperti
tegangan masukannya.
Baik konverter satu fasa maupun tiga fasa, masing-masing memiliki tipe
semiconverter, full converter, dan dual converter. Semikonverter satu fasa memiliki
rangkaian sebagai berikut:
12
13
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Nilai α akan mempengaruhi besarnya tegangan keluaran pada beban.
Tegangan keluaran rata-rata dirumuskan sebagai berikut:
𝑉𝑑𝑐 =
π‘‰π‘š
(1 + π‘π‘œπ‘ π›Ό)
πœ‹
Full konverter satu fasa beroperasi di dua kuadran, artinya konverter ini memiliki
tegangan keluaran dengan dua polaritas dan arus keluaran satu polaritas. Gambar
rangkaiannya adalah sebagai berikut:
14
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
𝑉𝑑𝑐 =
2π‘‰π‘š
(π‘π‘œπ‘ π›Ό)
πœ‹
Salah satu aplikasi thyristor adalah pada pengaturan motor DC. Thyristor dapat
berfungsi sebagai saklar untuk mengaktifkan motor DC. Thyristor juga dapat
mengatur kecepatan motor DC.
Pengontrolan kecepatan motor dapat dilakukan dengan pengaturan
tegangan terminal, sesuai dengan rumus berikut :
Ea = k.n.
Ea = Va – Ia.Ra
𝑛=
π‘‰π‘Ž −πΌπ‘Ž π‘…π‘Ž
π‘˜ο¦
dimana  = (If)
Torsi = K..Ia
Ia = f (Va)
Dari rumus tersebut dapat diketahui bahwa pengaturan kecepatan dan torsi
motor DC Shunt berpenguat terpisah dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu
dengan pengaturan tegangan jangkar Va dan dengan pengaturan arus medan
penguat atau If.
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat Komputer
2. Software MATLAB
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Prosedur Percobaan
1. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap tegangan keluaran rata-rata pada
semikonverter satu fasa.
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink single_phase_semiconverter.
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan empat nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= α1 dan phase delay T2 = α2.
•
Amati dan gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk salah satu nilai fasa
yang digunakan.
•
Catat besarnya tegangan dari tiap variasi nilai fasa
2. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap bentuk tegangan keluaran pada
fullkonverter satu fasa dengan beban RL.
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink single_phase_fullcconverter.
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan empat nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= phase delay T2= α1 dan phase delayT3= phase delay T4 = α2.
•
Gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk masing-masing nilai fasa yang
digunakan.
3. Pengaturan kecepatan motor DC dengan pengontrolan fasa
Langkah-langkah:
•
Buka program Matlab, buka simulink dc_motor_control.
•
Atur fasa pada gate dengan mengatur phase delay pada blok pulse
generator. Variasikan lima nilai fasa yang berbeda dengan phase delay
T1= α1 dan phase delay T2 = α2.
•
Catat besar kecepatan dalam rpm yang terlihat pada osiloskop
15
16
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 6
INVERTERS
Tujuan
1. Melihat hasil gelombang keluaran berupa AC dengan masukan DC
2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja inverter
Dasar Teori
Konverter DC ke AC dikenal dengan Inverter. Fungsi dari inverter itu sendiri
adalah mengubah tegangan input DC ke tegangan AC simetris dengan magnitude
dan frekuensi yang diinginkan. Tegangan output bisa tetap atau berubah pada
frekuensi yang tetap dan berubah pula. Variabel tegangan output dapat diperoleh
dengan memvariasikan tegangan input DC dan mempertahankan penguatan
inverter tetap konstan. Namun, apabila tegangan input DC fixed/tetap dan tidak
bisa
diubah/dikontrol, variabel
tegangan
output dapat diperoleh dengan
memvariasikan penguatan inverternya, yang mana biasa digunakan kontrol PWM.
Gelombang tegangan output ideal dari inverter seharusnya sinusoidal.
Namun, pada praktiknya gelombang yang dihasilkan tidak sinusoidal dan
mengandung harmonik. Dengan tersedianya divais power semikonduktor dengan
kecepatan tinggi, harmonik pada tegangan output dapat diminimalisir dengan
teknik switching.
Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 tipe: (1) Inverter satu fasa dan (2)
Inverter 3 fasa. Kedua tipe ini dapat menggunakan divais terkontrol turn-on dan turnoff seperti BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, dan GTO.
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 6.1. Hubungan input dan output dari Konverter DC-AC
Parameter performansi dari Konverter DC-AC, yang mengukur kualitas dari
tegangan output inverter adalah:
1. Harmonic factor if nth harmonic (HFn)
2. Total harmonic distortion (THD)
3. Distorsion factor (DF)
4. Lowest order harmonic (LOH)
Single Phase Half-Bridge Inverter
17
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 6.2. Half-bridge Inverter Satu Fasa
Prinsip kerja dari inverter satu fasa dapat dijelaskan dari Gambar 6.2a.
Rangkaian inverter terdiri dari dua chopper. Saat transistor Q1 nyala untuk waktu T0/2,
tegangan yang melalui beban adalah Vs/2. Jika transistor Q2 nyala untuk waktu T0/2
, –Vs/2 muncul pada beban. Rangkaian logika seharusnya didesain agar Q1 dan Q2
tidak nyala saat waktu yang bersamaan. Gambar 6.2b menggambarkan
gelombang untuk output tegangan dan arus transistor pada beban resistif. Inverter
ini membutuhkan 3 kawat sumber DC dan saat transistor dalam keadaan off,
tegangan reverse adalah Vs sebagai pengganti Vs/2.
Single Phase Full -Bridge Inverters
Gambar 6.3. Single Phase Full-Bridge Inverter
18
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Single Phase bridge voltage source inverter (VSI) ditunjukan pada gambar
6.3a. Terlihat pada rangkaian terdapat empat buag chopper yang digunakan. Saat
transistor Q1 dan Q2 nyala serentak, tegangan input Vs muncul di beban. Jika
transistor Q3 dan Q4 nyala pada waktu yang bersamaan, tegangan yang muncul
berkebalikan polaritasnya –Vs. Bentuk gelombang dari tegangan output tersebut
terlihat pada gambar 6.3b. Pada Tabel 6.1 dijelaskan ada 5 keadaan switch (switch
state).
Tegangan puncak reverse blocking dari setiap transistor dan kualitas dari
tegangan output half-bridge dan full-bridge sama. Namun, untuk full-bridge inverter,
output dayanya empat kali lebih besar dan komponen dasar dasarnya dua kali lebih
banyak dari half-bridge inverter.
Three Phase Inverters
19
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 6.4. Inverter tiga fasa bridge
Inverter tiga fasa biasa digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi. Inverter 3
fasa dapat dikoneksikan secara paralel 3 inverter satu fasa. Sinyal gate dari inverter
satu fasa harus mendahului atau delay 120 derajat agar diperoleh tegangan tiga
fasa yang seimbang. Susunan rangkaian ini membutuhkan 3 transformator satu fasa,
12 transistor, dan 12 dioda. Jika tegangan output dari inverter satu fasa tidak
seimbang magnitude dan fasanya, maka tegangan output inverter tiga fasa juga
tidak seimbang.
-
180-degree conduction
-
120-degree conduction
Voltage Control of Single Phase Inverter
Dalam banyak aplikasi di industri, kontrol tegangan output dari inverter sering
dibutuhkan untuk mengatasi variasi dari tegangan input DC, mengatur tegangan
dari inverter, dan memenuhi kebutuhan tegangan konstan dan kontrol frekuensi.
Metode paling efisien untuk mengontrol penguatan tegangan output adalah
dengan menggabungkan kontrol PWM dengan inverter. Teknik yang biasa
digunakan:
a. Single-pulse-width modulation
b. Multiple-pulse-width modulation
c. Sinusoidal pulse-width-modulation
d. Modified sinusoidal pulse-width modulation
e. Phase-displacement control
20
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
1. Buka Matlab, buka file Inverter.mdl
2. Atur besar nilai tegangan input yang diperintahkan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
21
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Modul 7
INVERTER 3 FASA
Tujuan
1. Melihat hasil gelombang keluaran berupa AC dengan masukan DC
2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja Inverter tiga fasa
Three Phase Inverters
Gambar 6.4. Inverter tiga fasa bridge
Inverter tiga fasa biasa digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi. Inverter 3
fasa dapat dikoneksikan secara paralel 3 inverter satu fasa. Sinyal gate dari inverter
satu fasa harus mendahului atau delay 120 derajat agar diperoleh tegangan tiga
fasa yang seimbang. Susunan rangkaian ini membutuhkan 3 transformator satu fasa,
22
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
12 transistor, dan 12 dioda. Jika tegangan output dari inverter satu fasa tidak
seimbang magnitude dan fasanya, maka tegangan output inverter tiga fasa juga
tidak seimbang.
-
180-degree conduction
-
120-degree conduction
V ol ta g e C on tr ol of T h r e e - Ph a s e In v e r te r
Teknik yang biasa digunakan dalam kontrol tegangan pada inverter tiga fasa.
a. Sinusoidal PWM
b. Third-Harmonic PWM
c. 60° PWM
d. Space vector modulation
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
1. Buka Matlab, buka file Inverter.mdl
2. Atur besar nilai tegangan input yang diperintahkan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
23
24
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Modul 8
DC-DC Converter
(Buck & Boost)
Tujuan
1. Memahami karakteristik dari switch transistor ideal
2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Buck
3. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja
DC DC
Converter Boost
Dasar Teori
Pada beberapa aplikasi industri, diperlukan alat untuk mengkonversi fixedvoltage dc source menjadi tegangan dc yang bisa diubah-ubah. DC to DC converter
digunakan untuk keperluan tersebut. DC converter dapat dianggap seperti
transformer pada tegangan AC, yang bisa digunakan sebagai penaik tegangan
(step up) atau penurun tegangan (step down). DC-DC Converters biasa digunakan
untuk pengontrolan motor DC, catu daya switching, dan regulator tegangan DC.
Karena kegunaannya tersebut itulah DC-DC Converters banyak digunakan pada
mobil listrik hingga sistem kelistrikan pesawat luar angkasa.
DC-DC Converters dapat menghasilkan keluaran tegangan DC yg tetap
ataupun berubah dari tegangan DC yang tetap maupun berubah seperti terlihat
pada Gambar 7.1. Tegangan output dan arus input idealnya menjadi DC murni,
tetapi pada praktiknya tegangan output dan arus input mengandung harmonik atau
ripple seperti pada gambar 7.1a dan 7.1b
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 7.1. Hubungan input dan output dari DC-DC Converters
Prinsip kerja DC Chopper Step Down
Gambar 7.2. Rangkaian dan Gelombang dari DC Chopper Step Down
Cara kerja dari DC Chopper Step Down dapat dilihat dari Gambar. 7.2a. Saat
switch SW, yang berfungsi sebagai chopper, tertutup dengan lama waktu t 1,
tengangan input Vs akan muncul pada beban. Jika switch SW tertutup selama t 2,
tegangan yang ada pada beban menjadi 0. Bentuk gelombang dari tegangan
output dapat dilihat pada Gambar 7.2b. Switch SW dapat diimplementasikan
dengan menggunakan Power BJT, Power MOSFET, GTO (Gate-Turn-On Thyristor), atau
IGBT (Insulated Field-Effect Transistor). Divais semikonduktor tersebut digunakan
25
26
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
karena memiliki tegangan jatuh (voltage drop) yang terbatas dari 0,5 hingga 2 V, dan
agar mempermudah maka voltage drop dari divais semikonduktor tersebut kita
abaikan.
Tegangan output dari rata-rata:
1
𝑑1
Va = 𝑇 ∫0 v0 dt =
𝑑1
𝑇
Vs = f t1 Vs = kVs . . . . . . . . . . . (7.1)
Duty Cycle k dapat divariasikan dari 0 – 1 dengan memvariasikan t1, T, atau f.
Oleh karena itu, tegangan V0 dapat divariasikan dari 0 hingga Vs dengan mengontrol
k, dan alur daya dapat dikontrol.
1. Constant-frequency operation: konverter, atau switching, frekuensi f (atau
periode chopping T) dijaga tetap konstan dan t1 divariasikan. Lebar dari pulsa
gelombang divariasikan, sehingga tipe kontrol ini dikenal dengan kontrol Pulse
Width Modulation (PWM).
2. Variable-frequency
operation:
Pemotongan
(chopping)
frekuensi
f
divariasikan. Baik on-time t1 ataupun off-time t2 dijaga tetap konstan. Cara ini
disebut frequency modulation. Tipe kontrol ini biasanya akan menimbulkan
harmonik pada frekuensi yang tidak bisa diprediksi, sehingga desain filter akan
lebih sulit.
Prinsip Kerja DC Chopper Step Up
Gambar 7.3. Susunan untuk transfer energy
Cara kerja dari DC Chopper Step Up dapat dilihat dari rangkaian pada
Gambar 5.3a. Ketika switch chopper tertutup selama t1, arus pada induktor akan naik
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
dan energi akan tersimpan pada induktor L. Ketika switch chopper terbuka selama
waktu t2, energi yang tersimpan pada induktor akan mengalir melalui dioda ke beban
dan menyebabkan arus induktor menurun. Tranfer energi ini yang dapat dibagi
menjadi 2 mode berdasarkan cara kerjanya, yaitu mode 1 dan mode 2. Rangkaian
ekuivalen dari kedua mode ini dapat dilihat pada Gambar 7.3b dan arus yang
mengalir dapat dilihat pada Gambar 7.3c.
Berdasarkan arah dari aliran arus dan tegangan, konverter DC dapat
diklasifikasikan menjadi 5 tipe:
1. First quadrant converter
2. Second quadrant converter
3. First and second quadrant converter
4. Third and fourth quadrant converter
5. Four-quadrant converter
DC Converters dapat digunakan sebagai regulator switching-mode untuk
mengkonversi tegangan DC dari unregulated ke regulated tegangan output DC.
Penyetelan ini biasa didapat dengan PWM pada frekuensi tetap dan divais switching
yg biasa digunakan adalah BJT, MOSFET, dan IGBT.
Hal-hal yang perlu dipelajari:
Circuit Diagram, Switch Representation, Equivalent Circuit, dan
Waveform dari Buck Regulator dan Boost Regulator pada Buku Power
Electronics karangan Muhammad H. Rashid
(CHAPTER : DC-DC Converters)
27
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
1. Buka Matlab, buka file DC_DCConverter Buck.mdl
2. Atur besar nilai tegangan input yang diperintahkan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
5. Ulangi prosedur diatas untuk tipe boost
28
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 9
DC-DC CONVERTER
(BUCK-BOOST & CUK)
Tujuan
1. Melihat hasil gelombang keluaran DC DC Converter Buck Boost
2. Melihat hasil gelombang keluaran DC DC Converter Cuk
3. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Buck Boost
4. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Cuk
Dasar Teori
Terdapat 4 topologi dari regulator switching, yaitu:
1. Buck Regulators / Buck Converter
Gambar 8.4a. Buck regulator with continuous iL
Pada regulator buck, tegangan output rata-rata Va lebih rendah dibanding
tegangan input Vs. Rangkaian dari regulator buck menggunakan power BJT seperti
pada Gambar 8.4a (seperti step down converter). Didapat dari penurunan rumus,
tegangan output rata-ratanya adalah:
29
30
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Va = Vs
2.
𝑑1
𝑇
= k Vs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8.2 )
Boost Regulator / Boost Converter
Gambar 8.5a. Boost regulator
Pada regulator Boost, tegangan output lebih besar dibanding tegangan input.
Regulator boost menggunakan power MOSFET untuk switchingnya seperti terlihat
pada Gambar 8.5. Tegangan output rata-ratanya sebagai berikut.
𝑇
𝑉𝑠
Va = Vs 𝑑2 = 1−π‘˜
3.
. . . . . . . . . . . . (8.3 )
Buck-Boost Regulator
Gambar 8.6. Buck-Boost Regulator
Tegangan output dari regulator Buck-Boost dapat lebih besar ataupun lebih
kecil daripada tegangan input. Regulator ini biasa disebut inverting regulator karena
polaritas tegangan outputnya berlawanan dengan tegangan input. Rangkaian
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Buck-Boost dapat dilihat pada Gambar 8.6. Transistor Q1 berperan sebagai switch
terkontrol dan dioda Dm sebagai switch yang tak terkontrol. Tegangan output ratarata dari regulataor Buck-Boost adalah sebagai berikut.
𝑉𝑠𝐾
Va = - 1−π‘˜
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8.4 )
4. Cuk Regulator
Gambar 8.7. Cuk Regulator
Pada rangkaian regulator Cuk, komponen switch yang digunakan adalah
pwer BJT seperti terlihat pada Gambar 8.7. Sama seperti regulator Buck-Boost,
regulator cuk memiliki tegangan output yang bisa lebih besar maaupun lebih kecil
daripada tegangan input. Tegangan output rata-rata dari regulator cuk:
𝑉𝑠𝐾
Va = - 1−π‘˜
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(8.5)
Hal-hal yang perlu dipelajari:
Circuit Diagram, Switch Representation, Equivalent Circuit, dan
Waveform dari Buck-Boost Regulator dan Cuk Regulator pada Buku
Power Electronics karangan Muhammad H. Rashid
(CHAPTER : DC-DC Converters)
31
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
1. Buka Matlab, buka file DC_DCConverter Buck Boost.mdl
2. Atur besar nilai tegangan input yang diperintahkan oleh asisten
3. Catat dan amati nilai tegangan rms dan arus rms beban
4. Gambarkan grafik sesuai yang diminta pada lembar data percobaan
5. Ulangi prosedur diatas untuk tipe cuk
32
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
MODUL 10
POST TEST
Post test merupakan tes akhir mengenai materi yang telah diujikan dalam
praktikum Elektronika Daya. Seluruh praktikan wajib mengikuti post test ini karena
termasuk dalam komponen penilaian. Waktu dan tempat pelaksanaan post test
akan diberi tahu lebih lanjut.
33
34
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
DAFTAR PUSTAKA
1. Rashid,Muhammad
H.,”Power
Electronics
(Circuit,
Device,
and
Applications)”,1993:New Jersey.
2. Mohan,Undeland,Robbins,”Power Electronics (Converter,Application, and
Design)”,2004.
Download