BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Umum
Panel Inverter adalah peralatan untuk mengubah frekuensi dan tegangan
untuk dapat mengontrol motor AC sangat diperlukan terutama oleh perusahaan yang
banyak mempergunakan motor AC untuk menggerakkan mesin produksi. Karena
motor AC memiliki banyak keunggulan dibanding motor DC yaitu dari kemudahan
pemeliharaan, tenaga yang dihasilkan, biaya perbaikan dan lain-lain.
Motor AC memiliki kelemahan yaitu kecepatan putaran mesinnya tergantung
pada frekuensi masukan, sebagai contoh di Indonesia frekuensi yang tersedia adalah
50 Hz dan bersifat tetap maka kecepatan putar motor AC akan bersifat tetap, padahal
agar diperoleh hasil putaran yang sesuai dengan keinginan maka motor AC harus
dapat diatur kecepatannya.
Disinilah diperlukan peralatan pengubah frekuensi, salah satu peralatan
pengubah frekuensi adalah inverter. Pada bab ini akan diuraikan satu persatu
komponen yang menyusun dan membantu kerja inverter dalam mengontrol motor
AC.
2.2
Teori Pendukung
2.2.1
Sistem Tiga Fasa
Hampir semua listrik yang digunakan oleh industri : dibangkitkan,
ditransmisikan dan didistribusikan dalam sistem tiga fasa. Sistem tiga fasa ini
memiliki besar yang sama (untuk tegangan atau arus) tetapi mempunyai perbedaan
sudut sebesar 120º antar fasanya. Sumbu ini disebut juga sumbu yang seimbang.
Apabila sumber mensuplai sebuah beban seimbang, maka arus-arus yang
mengalir pada masing-masing penghantar akan memiliki besar yang sama dan
berbeda sudut fasa sebesar 120º satu sama lain. Arus ini disebut juga arus seimbang.
Pada gambar 2.1. berikut memperlihatkan diagram fasor sebuah sistem
seimbang.
13
Gambar 2.1. Diagram fasor sistem seimbang
Sistem pada gambar 2.1. diatas disebut juga sistem urutan abc, dimana fasa b
tertinggal 120º terhadap fasa a, dan fasa c tertinggal 120º terhadap fasa b, hanya satu
kemungkinan urutan lagi selain urutan abc, yaitu urutan acb.
Adapun penulisan secara matematis untuk diagram fasor diatas untuk urutan
fasa abc dapat dijelaskan sebagai berikut :
Vab = Van √3 ∠ 30º ...........................................................( 2.1 )
Vbc = Vbn √3 ∠ 30º ...........................................................( 2.2 )
Vca = Vcn √3 ∠ 30º ...........................................................( 2.3 )
Adapun daya yang digunakan pada masing-masing fasa pada beban adalah :
P1∅ =  Van  I1 cos ϕ .......................................................( 2.4 )
dimana :
I1
= arus Ia
cos ϕ = factor daya
Sedangkan untuk sistem yang seimbang, daya total yang dipergunakan
adalah:
P3∅ = 3  Van  I1 cos ϕ
= √3 V I1 cos ϕ
dimana :
.................................................( 2.5 )
V = teg. Fasa to fasa
I1 = arus
14
2.2.2
Rectifier
Rangkaian penyearah (rectifier) adalah suatu rangkaian yang mengubah
tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC). Terdapat beberapa jenis
rangkaian penyearah, yang masing-masing jenis memberikan hasil yang berbedabeda terhadap bentuk tegangan DC yang keluar. Perbandingan antara tegangan DC
yang keluar terhadap tegangan AC yang ikut serta pada hasil outputnya, dinamakan
faktor riak (ripple). Notasi untuk faktor ripple yang diberikan disini adalah r.
Besarnya faktor ripple dapat dihitung dengan rumus :
r = Vr x
100 %
VDC
…...………………………………………( 2.6 )
Dimana komponen DC adalah harga rata-rata tegangan DC pada keluarannya
(output). Ini dapat dihitung dengan rumus :
Vdc = 1/T ∫ Vo t dt ……......................................................( 2.7 )
Dan komponen AC adalah harga rms dari tegangan AC yang keluar. Namun
karena komponen AC ini tercampur dengan komponen DC-nya, maka harus
dipisahkan terlebih dahulu komponen DC-nya.
Untuk menghitung faktor ripple ini, digunakan suatu rumus pendekatan,
yaitu :
r
2
Vrms
.
2 - 1 x 100%
Vdc
....................................................( 2.8 )
Dan
Vrms
1
2
Vo dt
.............................................( 2.9 )
T
Beberapa rangkaian penyearah :
a. Penyearah Setengah Gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang dapat dilihat pada gambar 2.2.
berikut ini.
15
Gambar 2.2. Rangkaian penyearah setengah gelombang
Apabila tegangan input berbentuk sinus, dapat dituliskan sebagai :
Vi = Vm sin ω t untuk 0 < t < T/2 ..................................( 2.10 )
Dan apabila bebannya bersifat resistif, maka gelombang keluarannya (output) adalah
seperti gambar 2.3. berikut :
Gambar 2.3. Bentuk gelombang output
Bentuk gelombang output Vo ini apabila dituliskan secara matematik adalah
sebagai berikut :
V0 (t) = Vm sin ω t,
untuk 0<t<T/2
V0 (t) = 0
untuk T/2<t<T
(T = 2π/ω) ................( 2.11 )
b. Penyearah Gelombang Penuh
Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan rangkaian
jembatan (bridge) dapat dilihat pada gambar 2.4. berikut :
16
Gambar 2.4. Rangkaian penyearah gelombang penuh
c. Penyearah 3 Fasa Setengah Gelombang
Rangkaian penyearah tiga fasa setengah gelombang ini dapat dilihat pada
gambar 2.5. dan bentuk gelombang outputnya dapat dilihat pada gambar 2.6. berikut
:
Gambar 2.5. Rangkaian penyearah 3 fasa setengah gelombang
Gambar 2.6. Bentuk gelombang output
d. Penyearah 3 Fasa Gelombang Penuh
Rangkaian penyearah tiga fasa gelombang penuh dapat dilihat pada gambar
2.7. sebagai berikut :
17
Gambar 2.7. Rangkaian Penyearah 3 Fasa Gelombang Penuh
Bentuk tegangan keluarannya dapat dilihat pada gambar 2.8. Pada penyearah
ini faktor ripple-nya adalah 4,2% dan untuk frekuensi dasar 50 Hz, frekuensi
harmonis yang terasa dan ikut keluar pada output-nya adalah 300 Hz.
Gambar 2.8. Bentuk gelombang output
2.2.3
Motor Arus Bolak-Balik (Motor AC)
Motor arus bolak-balik adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga
listrik arus bolak-balik (listrik AC) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik
dimana tenaga gerak itu berupa putaran daripada rotor.
Motor AC dapat dibedakan atas beberapa jenis. Pembagian motor disini
didasarkan atas bermacam-macam tinjauan :
a. Hubungan Putaran Motor dengan Frekuensi
Bila ditinjau dari hubungan antara putaran dan frekuensi atau putaran flux
magnit stator, maka motor AC dapat dibedakan atas :
1. Motor Sinkron (Motor Serempak)
Disebut motor sinkron, karena kecepatan rotornya sama dengan kecepatan
sinkron dari medan magnit putar sesuai dengan persamaan
n = 120 f/p..........................................................................( 2.12 )
18
dimana : n = jumlah putaran tiap menit (r.p.m)
f = frekuensi jala-jala
p = jumlah kutub
2. Motor Asinkron
Disebut motor asinkron karena putaran motor tidak sama dengan putaran flux
magnit stator, atau dengan kata lain bahwa antara rotor dan flux magnit stator
terdapat selisih perputaran yang disebut dengan slip. Atau dapat dilihat dari
persamaan berikut :
n < 120 f/p
b. Cara Penerimaan Tegangan dan Arus
Ditinjau dari segi cara rotor menerima tegangan atau arus, dapat dikenal dua
(2) jenis motor yaitu :
a. Motor yang rotornya menerima tegangan secara langsung
Motor jenis ini misalnya motor universal, motor DC.
b. Motor induksi
Disebut motor induksi karena dalam hal penerimaan tegangan dan arus pada rotor
dilakukan dengan jalan induksi, rotor tidak langsung menerima tegangan atau
arus dari luar.
Prinsip kerja motor induksi :
1. Apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, maka
akan timbul medan putar dengan kecepatan :
ns = 120 f/p .......................................................................( 2.13 )
2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.
3. Akibat pada batang konduktor pada rotor akan timbul gaya gerak listrik
induksi.
4. Karena batang konduktor merupakan rangkaian yang tertutup, maka gaya
gerak listrik akan menghasilkan arus (I)
5. Adanya arus (I) didalam medan magnit, akan menimbulkan gaya (F) pada
rotor.
19
6. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk
memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
7. Gaya gerak listrik induksi yang timbul karena terpotongnya batang konduktor
(rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar gaya gerak listrik induksi
tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan
putar stator (ns) dengan kecepatan medan putar rotor (nr).
8. Perbedaan antara ns dan nr disebut slip (s), dinyatakan dengan :
S = ns – nr / ns x 100% .....................................................( 2.14 )
9. Bila nr = ns, gaya gerak listrik tidak akan timbul dan arus tetap mengalir pada
batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel.
10. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak
serempak atau asinkron.
c. Jumlah Fasa Tegangan yang Digunakan
Ditinjau dari jumlah fasa tegangan yang digunakan dapat dikenal dua jenis
motor yaitu :
1. Motor satu fasa
Disebut motor satu fasa karena untuk menghasilkan tenaga mekanik pada rotor
tersebut dimasukkan tegangan satu fasa.
Pada motor ini flux magnit hanya berganti arahnya saja sehingga menyukarkan
bagi motor pada saat start. Untuk itu, diperlukan bantuan yang pada umumnya
tidak sefasa dengan medan magnit lilitan utama, yang berarti harus terdapat
lilitan kedua yang terpisah dari lilitan yang pertama. Jadi pada motor tersebut
meskipun menggunakan listrik 1 fasa. Tetapi didalam lilitan stator terdapat arus
listrik dua fasa dengan lilitan stator dua fasa pula. Lilitan ini disebut lilitan utama
(main winding) dan lilitan bantu (auxiliary winding). Apabila motor berjalan
normal, maka lilitan bantu dapat dilepas (tidak digunakan lagi).
Motor satu fasa ini misalnya : motor kapasitor, motor shaded pole, motor repulsi
dan motor seri.
20
2. Motor tiga fasa
Disebut motor tiga fasa karena, untuk menghasilkan tenaga mekanik tegangan
yang dimasukkan pada motor tersebut adalah tegangan tiga fasa. Pada motor ini
lilitan statornya dimasukkan arus bolak-balik, maka disekitar stator terjadi flux
magnit yang berubah-ubah.
Motor jenis ini misalnya : motor dengan rotor lilit, motor dengan rotor sangkur
tupai dan motor kolektor. Berikut ini adalah contoh dari jenis motor induksi
beserta kumparan statornya.
Gambar 2.9. Jenis motor induksi (lihat lampiran 3)
Perputaran motor pada mesin arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan
putar (flux yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan
putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak,
umumnya fasa 3. Hubungan dapat berupa hubungan bintang (star) atau segitiga
(delta).
21
Gambar 2.10. berikut ini akan menjelaskan bagaimana terjadinya medan putar
tersebut.
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.10. Gelombang Sinusoidal
Keterangan :
a. Gelombang dengan sudut 360º
b. Gelombang dengan sudut 120º
c. Gelombang dengan sudut 240º
Gambar di atas merupakan bentuk dari masing-masing gelombang sebelum
digabung menjadi gelombang output dari gambar di bawah.
Gambar 2.11. Proses terjadinya medan putar
Misalnya kumparan a-a ; b-b ; c-c dihubungkan tiga fasa, dengan beda fasa
masing-masing 120º (gambar 2.11a) dan dialiri arus sinusoidal. Distribusi ia, ib,
ic sebagai fungsi waktu adalah seperti pada gambar 2.11b. pada keadaan t1, t2,
t3 dan t4, flux resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masingmasing adalah seperti pada gambar II.11c, d, e, dan f. Pada t1 flux resultan
mempunyai arah yang sama dengan arah flux yang dihasilkan oleh kumparan a-
22
a ; sedangkan pada t2, flux resultannya dihasilkan oleh kumparan b-b, untuk t4,
flux resultannya berlawanan arah dengan flux resultan yang dihasilkan pada
saat t1.
Dari gambar II.11c, e dan f tersebut terlihat bahwa flux resultan ini akan
berputar satu kali. Oleh karena itu, mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua,
kecepatan sinkron dapat diturunkan sebagai berikut :
Ns = 120 f/p .......................................................................( 2.15 )
Dimana :
P = jumlah kutub
F = frekuensi
2.2.4 Transistor Sebagai Saklar
Salah satu fungsi transistor yang sering digunakan dalam rangkaian digital
ialah transistor sebagai saklar dan transistor sebagai penguat. Sebagai saklar maka
transistor hanya akan beroperasi pada daerah saturasi atau tersumbat (cut-off). Jika
sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi, transistor tersebut seperti sebuah
saklar yang tertutup dari kolektor ke emitor. Sebaliknya, jika transistor tersumbat,
akan berlaku seperti saklar yang terbuka.
23
Gambar 2.12. Rangkaian Transistor
Keterangan :
a. Rangkaian dasar transistor sebagai saklar
b. Sinyal input output pada kondisi ideal
c. Garis beban DC
Gambar 2.12a. dan b. menunjukkan rangkaian transistor sebagai saklar
beserta tegangan input dan outputnya untuk keadaan ideal sedangkan gambar 2.12c.
menggambarkan garis beban DC-nya sebagai catatan tegangan Vcc dan Vbb yang
diberikan merupakan tegangan positif.
Hukum Kirchoff untuk tegangan menyatakan jumlah tegangan pada satu loop
adalah 0.
Σ E = 0................................................................................( 2.16 )
Bila diterapkan pada simpul input maka :
- VBB + IBRB + VBE = 0
..........................................................................( 2.17 )
24
Untuk simpul atau loop output :
- Vcc + IcRc + VCE = 0
IC =
VC − VCE
...............................................................( 2.18 )
RC
Pada saat transistor saturasi, tegangan VCE berkisar 0,2 Volt (idealnya 0
Volt) sehingga arus kolektor yang mengalir pada saat saturasi bila transistor
dianggap ideal adalah :
...............................................................................( 2.19 )
Jika sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi, maka transistor tersebut
seperti sebuah saklar yang tertutup dari kolektor ke emiter. Jika transistor tersumbat
(berada dalam keadaan cut off), transistor tersebut seperti sebuah saklar terbuka.
Gambar II.13. memperlihatkan garis beban DC sebuah transistor yang beroperasi
sebagai saklar.
Gambar 2.13. Garis beban
25
Jika arus basis lebih besar atau sama dengan 1b saturasi, titik kerja Q berada
pada ujung atas dari garis beban gambar 2.13. Pada gambar ini transistor kelihatan
seperti sebuah saklar tertutup. Sebaliknya jika arus basis nol, transistor bekerja pada
ujung bawah dari garis beban, dan transistor seperti sebuah saklar terbuka.
2.2.5 Dekoder
Dekoder berfungsi sebagai pengubah data dalam kombinasi kode biner
menjadi bentuk kode lain, dalam hal ini kombinasi kode desimal. Beberapa jenis
dekoder yaitu :
1. Dekoder BCD ke Desimal
2. Dekoder BCD ke Biner
3. Dekoder Biner ke Oktal
4. Dekoder BCD ke 7-Segment
Keluaran dari dekoder ini kemudian bisa dilihat melalui piranti lain agar
tampak oleh mata manusia yaitu penampil (display). Dalam Tugas Akhir ini penulis
akan membahas satu jenis dekoder saja yaitu : Dekoder BCD ke Desimal.
Rangkaian dekoder BCD ke desimal adalah rangkaian yang berfungsi untuk
mengontrol penampilan (display) dari bilangan-bilangan sandi BCD (bilangan biner
empat bit) menjadi bilangan desimal yang biasa. Penampilan atau display-nya adalah
berupa Tabung Angka (Nixie Tube) : yaitu filamen-filamen berbentuk angka desimal
0 (nol) sampai 9 (sembilan) yang sangat tipis.
Dengan demikian rangkaian dekoder BCD tersebut mempunyai 10 (sepuluh)
jalan keluaran yaitu : line 0, line 1, … dan line 9, dimana masing-masing line
bertugas untuk mengontrol filamen mana yang menyala. Misalnya dikehendaki untuk
menampilkan sandi 8421 BCD : 0101, maka hanya line 5 yang bekerja sehingga
nantinya filamen angka 5 desimal yang menyala. Dengan cara tersebut, maka hasilhasil perhitungan (pengukuran-pengukuran) dapat dilihat langsung dalam bilangan
desimal sesuai yang digunakan sehari-hari. Ingat saja misalnya pada jam digital atau
pada mesin-mesin penghitung kecil atau kalkulator.
Selanjutnya cara kerja dari rangkaian dekoder BCD tersebut dapat dipelajari
dengan melihat gambar berikut.
26
Gambar 2.14. Dekoder BCD ke Desimal
2.2.6
Display (Seven Segment)
Display
atau
penampil
merupakan
piranti
yang
digunakan
untuk
menampilkan kode-kode desimal agar dapat dibaca, tujuh buah LED ini membentuk
angka delapan, dengan mengaktifkan atau mematikan beberapa LED akan didapat
bentuk angka nol (0) sampai sembilan (9) sesuai dengan angka yang ingin
ditampilkan seperti pada gambar 2.15.
Gambar 2.15. (a) Seven Segment
(b) Angka kombinasi LED aktif
27
Display 7-Segment ini terbagi dua, yaitu :
1. Display 7-Segment Common Cathode (katoda bersama)
Rangkaian dasar dari display jenis ini pada dasarnya adalah beberapa buah LED
yang telah disusun membentuk suatu konfigurasi, dalam hal ini bentuk angka
delapan.
Gambar 2.16. Tampilan Seven Segment Common Cathode
Pada gambar diatas tampak masing-masing segment (ruas) dari a sampai g
merupakan susunan LED-LED yang mempunyai hubungan bersama (tunggal)
pada polaris negatif.
2. Display 7-Segment Common Anode (anode bersama)
Rangkaian dasar dari display jenis ini sama dengan display 7-segment common
cathode, yang membedakan hanyalah hubungan tunggal pada polarisnya yang
merupakan kebalikkan dari jenis common cathode, yaitu anode. Pada display
jenis anode ini, polaris positifnya yang saling berhubungan.
28
Gambar 2.17. Tampilan Seven Segment Common Anode
2.2.7 Converter (Pengubah)
Pada saat ini, peralatan-peralatan elektronika modern telah banyak
menerapkan teknik pengiriman data-datanya berupa pulsa digit. Misalnya pada
peralatan komunukasi, radar, sonar dan sebagainya. Hal tersebut disebabkan karena
penggunaan pulsa-pulsa digit lebih banyak memberikan keuntungan dibandingkan
dengan penggunaan sinyal analog. Diantara keuntungan penggunaan pulsa digit
adalah sebagai berikut :
1. Data-data yang dikirimkan juga dapat dimodulasikan dengan mudah.
2. Untuk menghemat lebar jalur (bandwidth).
3. Pengontrolan sistem pengiriman dan sistem penerimaannya dapat dibuat lebih
cermat, sehingga kebenaran data-datanya lebih mantap, dan lebih dapat dijamin
kerahasiaan maupun keutuhannya.
4. Untuk mengurangi adanya gangguan, baik gangguan karena alam maupun
gangguan dari musuh (jamming) dan sebagainya.
Untuk melaksanakan hal-hal tersebut di atas, digunakanlah suatu rangkaian
yang disebut converter (pengubah). Menurut jenisnya converter dibagi menjadi dua
yaitu :
1. Digital to Analog Converter (pengubah digital ke analog)
Dalam banyak pemakaian, ada keuntungan-keuntungan yang dihasilkan dari
pengolahan sinyal digital dari pada analog. Akan tetapi, banyak sistem fisis yang
memerlukan sinyal analog supaya sistem-sistem tersebut dapat dioperasikan
secara efektif. Sebagai akibatnya, maka seringkali perlu mengubah sinyal
keluaran biner dari sebuah pengolah digital menjadi sebuah sinyal analog yang
ekivalen dengan menggunakan peralatan pengubah digital menjadi analog atau
digital to analog converter (DAC).
Metode pengubahan sinyal digital menjadi analog yang paling sederhana adalah
penggunaan jaringan hambatan yang berbobot biner.
29
2. Analog to Digital Converter (pengubah analog ke digital)
Untuk menggunakan keuntungan-keuntungan pengolahan digital, maka sinyalsinyal yang pada pokoknya adalah analog yang timbul dalam kebanyakan sistem
fisis harus diubah menjadi sinyal-sinyal biner yang bersangkutan. Maka
digunakanlah suatu rangkaian untuk mengubahnya yaitu rangkaian pangubah
analog ke digital.
Salah satu jenis rangkaian analog to digital converter adalah pengubah A/D
penghitung tunggal (Single Counter A/D Converter) seperti gambar berikut ini.
Gambar 2.18. Pengubah Analog ke Digital yang mempunyai penghitung
tunggal.
Terlihat pada gambar diatas, sebuah penghitung biner digunakan untuk
menghitung banyaknya pulsa jam. Hitungan ini membentuk masukan pada
pengubah D/A, yang tegangan keluarannya dibandingkan dengan masukan
analog dengan cara menggunakan sebuah pembanding. Keluaran pembanding
berada di V (1) selama keluaran dari pengubah D/A lebih kecil daripada tingkat
sinyal analog. Gerbang AND kemudian akan dapat mentransmisikan pulsa jam
kepada penghitung tersebut. Bila sinyal keluaran D/A lebih besar daripada sinyal
analog, maka pembanding beralih ke V (0), dan sebagai konsekuensinya maka
akan merintangi gerbang AND dan menghentikan hitungan. Keluaran dari
penghitung biner adalah kata biner yang diinginkan dan menyatakan sistem
analog yang dipilih.
30
2.2.8. Filter
Filter adalah sebuah peralatan yang melakukan (pass) beberapa frekuensi
sinusoidal menyetop yang lainnya. Idenya adalah menghilangkan semua komponen
sinusoidal dan hanya maninggalkan komponen DC.
Filter menurut jenisnya dibagi menjadi :
1. High Pass Filter (filter lewat atas)
High Pass Filter adalah filter yang melakukan (pass) frekuensi-frekuensi tinggi,
tetapi menahan frekuensi rendah.
2. Low Pass Filter (filter lewat bawah)
Low Pass Filter adalah filter yang melakukan (pass) frekuensi-frekuensi rendah,
tetapi menahan frekuensi tinggi.
3. Band Pass Filter (filter lewat pita)
Band Pass Filter sering disebut juga sebuah jendela karena efeknya terhadap
spektrum.
4. Band Reject Filter (filter pita tolak)
Band Reject Filter didapatkan dengan hubungan paralel bagian lewat atas yang
mempunyai frekuensi putus foL dengan bagian lewat bawah yang berfrekuensi
putus foH.
Catatan bahwa untuk karakteristik pita tolak diperlukan foH<foL.
31