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: πππ = ππ (1 + πππ πΌ) π 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 πππ = 2ππ (πππ πΌ) π 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.ο¦ Ea = Va – Ia.Ra π= ππ −πΌπ π π πο¦ dimana ο¦ = ο¦(If) Torsi = K.ο¦.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 π‘1 Va = π ∫0 v0 dt = π‘1 π 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. π‘1 π = 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. π ππ Va = Vs π‘2 = 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. ππ πΎ 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: ππ πΎ 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.