Resistor Sebagai Pendeteksi Zero Cross Voltage Pada Sinkronisasi

Jurnal Energi Elektrik Volume II Nomor 1 Tahun 2013
Resistor Sebagai Pendeteksi Zero Cross Voltage
Pada Sinkronisasi Pulsa Penyulut
Said Aiyub
Teknik Elektro - Politeknik Negeri Lhokseumawe
Abstrak - Zero cross voltage adalah suatu system penyulutan dengan pambatasan dari 0’ sampai dengan 180
‘, untuk mendapatkan penyulutan yang sempurna disini menggunakan resistor pada system penyearah tiga
phasa semi terkendali dengan menggunakan tiga buah diode dan tiga buah tyristor, dengan demikian hasil
penyearah gelombang keluaran tiga phasa semi terkendali tersebut didapatkan sesuai dengan yang
diharapkan dan tegangan yang diahasilkan sangat linier dan stabil, bila system zero cros voltage tidak stabil ,
maka yang terjadi pergerakan pulsa sulut tidak beraturan sehingga terjdai konduksi tyristor dan tegangan
keluaran yang diatur akan terjadi lompatan
Kanta Kunci: Tyristor, Semi Terkendali, Motor
1.
PENDAHULUAN
Sistem jaringan yang digunakan umumnya
dalam
mensuplai tegangan listrik ke beban ada
beberapa jenis yaitu sistem jaringan T-T, jaringan T-N,
dan jaringan I-T. Sistem Jaringan T-T yaitu sistem
tegangan tiga phase menggunakan saluran 3 kawat
tanpa netral. Kemudian sistem jaringan T-N yaitu
sistem jaringan yang menggunakan saluran 4 kawat
dengan kawat netral. Jika ada sebuah beban yang harus
membutuhkan jaringan T-N, sementara sistem jaringan
tegangan yang ada adalah jenis jaringan T-T, maka
akan terjadi permasalahan terhadap beban tersebut.
Dimana dalam hal ini terkait terhadap sebuah
sistem pengaturan pendeteksian zero cross voltege yang
harus menggunakan sistem jaringan T-N, tetapi sistem
yang ada yaitu jenis jaringan TT, Sehingga sistem
pengaturan yang akan dibuat tidak sempurna. Untuk
tetap bisa sistem pengaturan ini digunakan, maka perlu
dilakukan modifikasi alatnya yang dibuat harus
menggunakan kawat netral, sementara sistem netral
tegangan supplai tidak tersedia, sehingga terjadi
kegagalan dalam melakukan penyulutan thyristor.
Permasalahan ini merupakan awal ide dalam
melakukan penelitian mengenai penyulutan thyristor
pada sistem penyearah semi terkendali tiga phase
dengan melakukan pendeteksian tegangan zero cross
voltage tanpa menggunakan kawat netral. Jika sebuah
sistem pendeteksi zero cross voltage awalnya harus
menggunakan kawat netral, kemudian digunakan untuk
sistem yang tidak menggunakan netral, maka yang akan
terjadi adalah kegagalan dalam melakukan penyulutan
sistem penyearah tiga phasa tersebut. Dalam hal ini
peneliti ingin membuat sistem pendeteksian zero cross
voltage tersebut menggunakan tahanan. Peneliti ingin
mencermati yang lebih mendalam, mengenai sistem
pendeteksian zero cross voltage dengan menggunakan
tahanan (resistor).
Pendeteksian zero cross voltage yang tidak
tepat maka akan terjadi pergeseran sudut sulut pulsa.
Sementara yang diharapkan harus tepat pada 180
derajat listrik hingga 0 derajat listrik. Akibat yang
ditimbulkan dari pergeseran sudut pulsa tersebut yaitu
dimana pada awal penyulutan sudut 180o tegangan
penyearah sudah ada sekitar 20 Volt. Sistem yang
seperti ini adalah sistem yang tidak sempurna, sebab
tegangan yang dihasilkan nantinya akan terjadi kedipan
atau loncatan tegangan.
Setiap sistem penyulutan komponen power
elektronik atau komponen elektronika daya seperti
Triac, Thyristor, dan lainnya sangat diperlukan untuk
mengkonduksikan komponen tersebut. Dimana
komponen yang disebutkan akan bekerja jika gerbang
atau gete dari komponen tersebut diberi pulsa on. Sudut
pulsa yang akan diberikan akan mempengaruhi lamanya
komponen tersebut bekerja. Salah satu alat pengaman
atau isolasi dalam memberikan sinyal pulsa kepada
komponen daya tersebut yaitu dengan menggunakan
trafo pulsa. Dimana trafo pulsa tersebut dikontruksi
dengan ratio 1 (satu). Rangkaian penyulut dengan
rangkaian elektronika daya merupakan rangkaian
terpisah. Dimana salah satu pemisah rangkaian tersebut
digunakan trafo pulsa atau jenis lain berupa opto copler.
Dari uraian pendahuluan diatas, peneliti dapat
merumuskan
kembali
bahwa
yang
menjadi
Jurnal Energi Elektrik Volume II Nomor 1 Tahun 2013
permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana
untuk memenuhi atau mendapatkan sistem deteksi zero
cross voltage yang tepat atau sempurna dengan
rangkaian deteksi menggunakan resistor. Sehingga ring
(batasan) penyulutan bergerak sangat tepat dari 180o
sampai 0o pada sistem penyearah tiga phase semi
terkendali dengan menggunakan 3 buah buah dioda dan
3 buah thyristor dengan beban motor DC penguatan
terpisah. Dengan demikian hasil penyearah semi
terkendali gelombang tiga phase tersebut sesuai yang
diharapkan dan tegangan yang dihasil sangat linier serta
stabil.
Jika sistem deteksi zero cross voltage tidak tepat (tidak
sempurna) maka yang terjadi adalah pergerakan pulsa
sulut tidak beraturan sehingga konduksi thyristor tidak
tepat dan akhirnya tegangan keluaran yang diatur akan
terjadi lompatan ( tidak stabil). Resiko yang paling
berbahaya adalah Tegangan yang dihasilkan tidak
sesuai dengan sudut penyulutannya dan dapat
mengakibatkan kerusakan pada komponen daya
(thyristor), sehingga beban yang menggunakan
tegangan tersebut mendapatkan goncangan (bergetar).
2.
RANGKAIAN DETEKTOR ZERO CROSS
VOLTAGE
Rangkaian pendeteksi zero cross voltage dapat
digunakan IC TL 072 atau TL 074, IC ini adalah jenis
IC penjumlah. IC ini memiliki 14 kaki dengan 8 input, 4
output dan 2 kaki untuk power supply 15 volt DC yaitu
pada kaki 4 dan 11. [6]
Dimana nilai A = 1 artinya tidak ada penguatan
Gelombang yang akan di deteksi seperti
gambar 2.2, dimana dalam mendeteksi gelombang
tersebut ada dua metode yaitu : deteksi gelombang
tegangan phase-netral dan gelombang phase-phase.
2.1. DETEKSI TEGANGAN PHASE-NETRAL
Mendeteksi tegangan phase-netral nantinya
harus digeser sudut gelombangnya sebesar 30o agar
tepat pada zero cross voltagenya dengan menggunakan
kapasitor, dan nilai kapasitor yang dipasang harus tepat.
Jika nilai kapasitor tidak tepat maka titik nol zero cross
voltage tidak akan tepat dan akan menimbulkan
masalah nantinya. Sebagai input IC TL 072 yaitu
tegangan phase pada input positif dan netralnya pada
input negatif, sehingga bentuk gelombang tegangan
masuk sama dengan tegangan output.
2.2. DETEKSI TEGANGAN PHASE-PHASE
Mendeteksi tegangan phase-phase tidak perlu
melakukan pergeseran sudut gelombang karena dari
penjumlahan input dua phase sudah akan membentuk
sudut zero cross tepat pada titik nolnya di 30o dari
gelombang phasenya seperti terlihat pada gambar 1.
Zero cross voltage Gelombang tiga phase [4]
Konfigurasi IC TL 074 atau TL 072 yaitu :
Gambar 2.2. Zero Cross Gelombang 3 Phase
Gambar 2.1. IC TL 072 Dan Konfigurasinya
Besar tegangan output dengan input 1 dan
input 2 yaitu :
Vo = A ( Input 1 + Input 2)….…... ….( 1)
2.3. DETEKTOR PENYILANG NOL (TIDAK
MEMBALIK)
Rangkaian Op-Amp yang terdapat pada
Gambar 2. berfungsi sebagai pembanding. Masukan
positifnya (+) tanpa membandingkan dengan nilai Ei
dimana tegangan acuan 0 volt (Vref = 0 volt). Jika Ei
Jurnall Energi Elekktrik Volumee II Nomor 1 Tahun 20133
berada diatas
d
Vref, Vout
V
menyamaai (+Vsaturassi). Hal
ini disebbabkan karenaa tegangan paada masukan positif
lebih besar dari pada teegangan masuukan negatif. [7]
[
Gambar 2.44. Detektor Pennyilang Nol (P
Pembalik)
2.5. RANG
GKAIAN PEM
MBANGKIT
T PULSA
mbalik)
Gambar 2.3. Detektor Penyilang Nool (Tidak Mem
R
2.4. DETEKTOR
(PEMBALIK
K)
PENY
YILANG
NOL
Masukan neggatif Op-Ampp yang terdapaat pada
3 membandinngkan nilai Eii dengan suatuu acuan
Gambar 3,
yang bessarnya 0 voltt (Vref= 0 voolt). Adapun bentuk
gelombanng Vout terhaadap waktu daan Vout terhaadap Ei
dapat diaanalisa melaluui persamaan sebagai
s
berikuut :
1. Jika Ei berada
b
diatass Vref, makaa Vout
menyamai nillai negatif Vsaaturasi (-Vsatu
urasi).
2. Jika Ei menyilang acuann menuju posiitif dari
positif Vsatturasi (+Vsaaturasi) ke negatif
Vsaturasi (-V
Vsaturasi).
Detektor penyilang nool yang terdappat dalam gam
mbar 3
akan meengubah keluuaran dari seebuah keluaraan dari
pembanggkit gelombanng sinus, misaalnya menjaddi suatu
gelombanng persegi. Jika Ei merupakan suatu
gelombanng sinus, segiitiga, atau benntuk gelombaang lain
yang sim
metris disekittar nol, makaa keluaran detektor
d
penyilangg nol akan meenjadi gelombang persegi.
Realisaasi dari jeenis rangkaiian penyulutt
beermacm-macam
m namun yanng paling sedeerhana dengann
meenggunakan dioda
d
sampai ddengan yang komplek
k
yaituu
deengan mengguunakan IC TCA
A 785. [5]
Keelebihan IC TCA 785 bbila dibandinngkan dengann
peenyulut yang lain yaitu :
1. Penetaapan titik nol yyang lebih tetaap.
2. Pengaaturan sudut penylutan mulai
m
dari 0°°
sampaii dengan 180°°.
3. Daerahh pemakaian yyang lebih bessar.
4. Ratingg dari arus keerja relatif keccil, mulai darii
250mA
A sampai denggan 500mA.
5. Teganggan kerja 15 V
Volt.
6. Dapat digunakan unntuk pengontrrol tiga phasaa
(3Φ)
IC
C TCA 785 inii sangat lengkkap dan dapat bertahan
b
lamaa
diggunakan untuuk sistem peenyulutan. Assal saja padaa
peenggunaannyaa
tidak
melebihi
kemampuann
sppesifikasinya.
Sinyal sinkronisasii dari teganngan sumberr
dihhubungkan pada kaki (no 5) atau (U sync) melaluii
ressistor yang mempunyai hambatan tinggi. Zeroo
deetektor (perabba nol) akan menentukan titik nol dann
dissimpan kedaalam memorri sinkron. Detektor inii
keemudian akann mengendalikan gigi geergaji dengann
freekwensi yanng sesuai dengan teganngan sumber.
Jurnal Energi Elektrik Volume II Nomor 1 Tahun 2013
Kapasitor (C10) dan Resistor (R9) akan menentukan
nilai kemiringan dari gelombang gigi gergaji yang
dihasilkan.
Gelombang gigi gergaji tersebut kemudian
dibandingkan dengan tegangan referensi (U11) oleh
rangkaian komparator (pembanding). Sinyal output dari
rangkaian komparator ini kemudian diteruskan ke
rangkaian logic. Bila tegangan referensi yang terdapat
pada kaki (no 11) pada posisi minimal, hal ini
menunjukkan titik inisial dari sudut penyulutan sama
dengan nol (α = 0). Untuk melakukan sudut penyulutan
mulai dari 0° sampai dengan 180° dapat dilakukan
melalui pengaturan pada tegangan referensinya.
Pada kaki-kaki output Q1 dan Q2 akan
diperoleh pulsa positif (dengan panjang pulsa sekitar 30
μs) untuk setiap setengah dari cyclenya dari tegangan
sumber. Untuk mendapatkan panjang pulsa yang
bervariasi dapat kita peroleh dengan mengatur atau
merubah-rubah nilai kapasitor (C12), sedangkan untuk
memperoleh pulsa maksimum (180o) dapat dilakukan
dengan menghubungkan kaki (no 12) terhadap ground.
Pada kaki (no 4) dan kaki (no 2) akan diperoleh hasil
outputan pulsa yang bernilai negatif.
Q1
Q2
sebagai membatasi tegangan selama proses turn-off
transient dan arus pada saat proses turn-on transient.
Pada sudut penyalaan sebesar α, SCR
mendapat tegangan penyulutan yang menyebabkan
konduksi untuk mendistribusi arus yang berbeda. Pada
proses turn-on tersebut terjadi kenaikan arus yang besar
menuju kondisi yang stabil ( proses transient ).
Kapasitor snubber membatasi kenaikan arus yang
terjadi melalui proses pembuangan muatan kapasitor,
sedangkan Resistor snubber berfungsi untuk membatasi
nilai arus yang mengalir pada SCR. Dalam menentukan
nilai Cs dan Rs, faktor tegangan supplai dan arus beban
sangatlah berpengaruh. Penentuan nilai Cs dan Rs
seperti persamaan berikut : [7] Jurnal converter.pdf
Rs = 20 ( Vs / I1 )........................................... (2)
Cs = 0,6 ( Il / Vs ).......................................... ( 3)
Dimana : Vs = Tegangan jala-jala
Il = Arus yang mengalir ke beban
Perumusan Tegangan DC yang dihasilkan untuk sistem
penyearah semi terkendali secara rumus didapat
dihitung yaitu :
√ .
2.6. RANGKAIAN SNUBBER
Untuk menjaga kondisi SCR tetap dalam
keadaan on, diperlukan arus anoda minimum. Karena
jika arus anoda turun, maka SCR kembali kekeadaan
blocking. Agar SCR melai mendapat konduksi, maka
diperlukan arus yang lebih besar dari arus holding.
Dalam pengoperasian rangkaian snubber, SCR pada
semi converter dapat dipresentasikan sebagai switch
elektronik. Untuk mengurangi tekanan elektris pada
level yang berada dibawah kemampuan maksimal
semiconverter, maka diperlukan suatu rangkaian
pengaman. Rangkaian pengaman tersebut berupa
rangkaian snubber, yang tersusun atas komponen
Resistor dan Kapasitor yang terhubung secara seri serta
paralel terhadap SCR. Rangkaian snubber berfungsi
………………… . (4 )
tegangan DC yang dihasilkan untuk sistem penyearah
terkendali penuh secara rumus dapat dihitung yaitu :
√ .
Gambar 2.5. Rangkaian Pembangkit Pulsa [5]
(1 + Cos
( Cos
……………………(5 )
3. RANGKAIAN PENGUJIAN
Penguji sistem penyulutan yang lebih baik yaitu dengan
menguji rangkaian deteksi zero voltage menggunakan
sebuah tahanan (resistor).
Ada beberapa tahapan yang harus dilakukan yaitu :
A. Tahap pertama yaitu melakukan perakitan
komponen rangkaian penyulutan system tiga
phase dengan menggunakan 3 buah IC TCA
785 diantaranya:
• Perakitan stabilizer tegangan supplay ± 10 volt DC,
• Preakitan system sinkronisasi,
• Perakitan
rangkaian
pengatur
amplitude
gelombang segi tiga,
• Perakitan rangkaian pengatur lebar pulsa,
Jurnal Energi Elektrik Volume II Nomor 1 Tahun 2013
• Perakitan rangkaian penguat pulsa dengan
menggunakan transistor D560,
• Perakitan rangkaian pengaman trafo pulsa
• dengan 300 lilitan ratio 1.
B. Tahap kedua yaitu membuat rangkaian deteksi
tegangan menggunakan resistor
Tabel 2. Ketepatan Sudut Penyulutan
Deteksi zero
cross voltage
menggunakan
Sudut
penyulutan
Derajat
Listrik
Tegangan (volt)
keluaran
0
166,13
154,99
124,6
83,1
41,54
11,13
0
30
60
90
120
150
180
Tahanan
hubungan
Bintang
Dari perhitungan diambil contoh untuk sudut triger 30
derajat dari persamaan 4 sebagai berikut :
Gambar 3.1 .Rangkaian Deteksi Tegangan
Menggunakan Resistor
3.1. HASIL PENGUJIAN DAN
PERHITUNGAN
Bintang
. ,
.
Sudut
penyulutan
Teg (volt)
0
30
60
90
120
150
180
166
155
126
85
43
12
0
1
30
, . ,
. ,
,
Sudut penyulutan yang diberikan terhadap tegangan
keluaran DC yang diukur menghasilkan data
Tahanan hubungan
. ,
,
Dari pengukuran yang dilakukan untuk tegangan antara
phasa yang diberikan sebagai tegangan sumber
tegangan R-S 120 V0lt, Tegangan S-T 123 Volt,
Tegangan T-R 124 Volt sedangkan untuk tegangan
Phasa Netral R-N, S-N, T-N = 71
Tabel 1. Pengujian
Deteksi zero cross
voltage
menggunakan
√ .
1
Vdc = 154,99 Volt
Untuk perhitungan pada sudut triger yang lain
dapat dilihat pada tabel data hasil perhitungan .
Bentuk gelombang yang dihasilkan dengan tampilan
osiloscop pada sudut triger 0o dapat dilihat seperti
gambar berikut :
keluaran
Untuk
membandingkan
antara
data
pengukuran dengan data perhitungan dapat dilihat pada
tabel berikut : ini dimaksudkan untuk memastikan
tingkat ketepatan sudut penyulutan yang dilakukan
terhadap tegangan DC yang dihasilkan.
Gambar 3.2. Respon gelombang pada Sudut triger 0o
Sistem deteksi zero cross voltage sangat baik,
dan ini dapat dilihat dari pergerakan pulsa sulut
beraturan sehingga konduksi tyristor tepat dan akhirnya
tegangan keluaran yang diatur tidak terjadi lompatan.
Dan nilai pengukuran dengan perhitungan hampir
mendekati nilai yang sama. Terjadi perbedaan sedikit
antara pengukuran dan perhitungan ini disebabkan oleh
ketidak tepatan dalam menentukan atau melihat posisi
sudut triger pada osiloscop.
Jurnall Energi Elekktrik Volumee II Nomor 1 Tahun 20133
1..
2..
Gambar 3.3. Bentuk gelombang
g
pad
da Sudut trigg
ger 30o
3..
Zero crosss voltage dapaat menghasilk
kan catu dayaa
DC yang stabil,
s
sehinggga dapat diperrgunakan padaa
sistem keendali motor DC, diman
na komponen
n
elektronikaa dalam peeralatan kendali tersebutt
seperti trriac, thyristoor dan lain-lain dapatt
beroperasi dengan bbaik dan teerhindar darii
kerusakan..
4..
Zero cross voltage dapatt digunakan pada
p
suatu
peralatan listrik yang tiddak memiliki titik
t
netral
pply daya mennggunakan sisstem 3 phasa
dengan sup
Gambaar 3.4. Detekssi singkronisassi yang tidak tepat
t
Deteksi tegan
ngan zero voltage yang tidak
k tepat,
ini diseb
babkan oleh tegangan
t
antaara fasa yang
g tidak
sama. Jika ini yang terjadi makaa sudut trigeer yang
n tepat. Jarak
k setiap pulsaa tidak
dihasilkaan tidak akan
sama prio
odik.
Nilai pengukuran dan peerhitungan meendekati samaa
di perbedaan nnilai yang keccil disebabkan
n
, bila terjad
sulitnya ak
kuasisi dari peembacaan peraalatan yang
digunakan (Osiloskop) ddalam membaaca sudut
triger
Deteksi teegangan zero ccross voltage yang
y
tepat ini
disebabkan
n oleh tegangaan antar phasaa yang sama
dan sensorr zero cross vooltage akan tep
pat, dengan
demikian akan
a
didapatk
kan sudut trigg
ger yang baik
dan jarak setiap
s
priodik pulsanya sam
ma
RE
EFERENSI
[1] Albert Pau
ul Malvino. Tahun 2003. Terjemahan
T
Ir.
Alb. Jok
ko Santosoo, MT. Prinsip-prinsip
P
p
elektronikaa, Penerbit Saalemba Tekniika. Jakarta
[2] Fitzgerald,,. 1997, Mesin-Mesin Listrrik , Erlanggaa
jakarta
[3] Rasyid, M.H
H. , 1999. Eleektronika Daya
a, Edisi
bahasa Ind
donesia, PT. P
Prenhallindo, Jakarta.
J
[4]
Gambar 3.5.
3 . Deteksi Singkronisasii Yang Tepat
Deteksi tegangan zzero voltagee yang tepaat, ini
disebabk
kan oleh tegan
ngan antara fasa
f
yang sam
ma dan
sensor zeero voltage yyang tepat. Jiika ini yang terjadi
maka su
udut triger yaang dihasilkan
n akan tepat. Jarak
setiap pu
ulsa sama priod
diknya.
4.
Kesimpulan
n
Berdasarrkan hasil perhitungan dan
n pengukuran
n yang
terlihat pada table yang
g tertera diataas ,
Mohan,dk
kk, Power Electronics Converterss
Applicatioons and Designn, john wiley & sons, inc.
[5] Malvino, Barmawi,
B
19966. Prinsip- Prrinsip
Elektronikka, Edisi Ketigga, Erlangga, Jakarta.
J
[6] TCA 785, Siemen www
w.datsheetcatallog.com, Dataa
Components.
Sheet For Electronics C
[7] Adam A A,
A 201, Rangkkaian Penyea
arah Setengahh
Terkendali Tiga Fasaa Untuk
Pengendaliann
Karakterisstik Motor A
Arus Searah Shunt, Jurnall
Ilmiah Fo
oristek Vol.1, No.2, UN
NTAD Palu,
Indonesia