Elekt ron ika Daya

1

BAB I

PENDAHULUAN

Tujuan Umum :

Setelah mengikuti matakuliah ini diharapkan mahasiswa dapat:

1. Mengerti yang dimaksud dengan matakuliah elektronika daya dan perkembangannya

2. Mengetahui matakuliah yang harus dipahami sebelum mempelajari elektronika daya

3. Mengetahui ruang lingkup matakuliah elektronika daya

4. Mengerti kegunaan dan aplikasi elektronika daya

I.1. Pengertian Elektronika Daya

Perkembangan teknologi kendali di semua bidang pada saat ini berkembang sangat cepat,

hal ini tidak ketinggalan juga pada kendali konversi daya listrik. Sebelum berkembangnya

teknologi semikonduktor, konversi daya listrik skala besar dilakukan dengan

menggunakan motor dan generator listrik. Sebagai contoh pengatur tegangan dengan

menggunakan generator dan pengatur kecepatan dengan menggunakan system

wardleonard.

Dengan semakin berkembangnya teknologi semikonduktor, konversi daya listrik yang

menggunakan motor dan generator (dynamic converter/rotary converter) tersebut begeser

ke static converter. Konversi daya listrik dengan static converter yang mengaplikasikan

komponen elektronika dan control untuk mengkonversikan daya listrik atau penggabungan

antara daya, elektronika dan control disebut Ekeltronika Daya (ELDA).

Penggunaan converter statis dalam system kelistrikan memiliki beberapa kelebihan bila

dibandingkan dengan pemakaian konverter rotasi atau converter yang menggunakan

mesin-mesin listrik antara laian:

1. Efisiansi tinggi

2. Perawatan rerativ lebih sederhana karena static (tidak ada yang aus karena usia)

3. Ukuran/bobot relative lebih kecil dan ringan dengan daya yang sama dengan

system dynamic

4. Pengoperasian yang sederhana

5. Respon (reaksinya lebih cepat) karena tidak ada momen kelembaman

6. Tidak bising (noice rendah)

Elekt ron ika Daya

2

Disamping kelebihan penggunaan koncerter statis tersebut di atas masih ada kekurangan

dan kelemahan antara lain:

1. Timbulnya harmonisa yang tinggi sehingga akan mempengaruhi sumber tenaga

listriknya, yang ujung2nya akan mempengaruhi ke beban2 lainnya.

2. Akan mempengaruhi factor daya pada system jaringan

3. Kapasitas daya/kemampuan masih terbatas

Aplikasi dari elektronika daya di industri, fasilitas umum maupun rumah tangga

berkembang sangat pesat diantaranya untuk control temperature, control cahaya, control

kecepatan motor, power suplai (catu daya) dsb.

Dengan demikian kedududukan elektronika daya adalah merupakan penghubung yang

penting antara sumber daya dan pengguna daya yang dapat dikonversikan dan dikontrol

sesuai dengan kebutuhan daya listrik yang dikehendaki. Yang dimaksud daya listrik

adalah peralatan yang membutuhkan daya besar seperti alat berat yang membutuhkan daya

besar sebagai contoh : alat transportasi, ,alat pengangkat, alat penggerak dsb Sedangkan

eletronik/elektronika berhubungan dengan rangkaian elektronika dan pemrosesan signal

yang digunakan untuk rangkaian control.

Elektronika Daya

Gambar 1-1 Blok diagram elektronika daya

Elekt ron ika Daya

3

Gambar 1.1 dan gambar 1-2 menunjukkan elektronika daya terbagi menjadi dua bagian.

Bagian yang pertama adalah rangkaian daya sedangkan bagian yang lainnya adalah

rangkaian control dan elektronik. Rangkaian daya terdiri atas: dioda, thyristor, triac dan

transistor daya. Rangkaian kontrol terdiri dari dioda, resistor, transistor dan rangkaian

terpadu (IC).

Gambar 1-2 Visualisasi blok diagram elektronika daya

1. 2. Sejarah dari Elektronika Daya

Pertamakali penggunaan elektronika daya dikenalkan pada tahun 1900 yaitu penyearah

mercury arc kemudian penyearah tabung vacum, ignitron, thyratron. Komponen tersebut

diaplikasikan sebagai kontrol daya sampai dengan tahun 1950an. Perkembangan

elektronik dimulai tahun 1948 dangan ditemukannya Transistor Silicon oleh Bardeen,

Brattain dan Schockley pada Bell Telephone Laboratory. Kemudian teknologi silicon

semikonductor mengalami perubahan yang sangat cepat pada tahun 1958 dengan

ditemukannya PNPN triggering transistor yang disebut thyristor atau SCR (Cilicon

Controlled Rectifier) oleh Bell Laboratory. Sejak saat itulah mulai terjadi perkembangan

besar-besaran dalam produksi dan penerapan semi konduktor, semi konduktor daya seperti

dioda-dioda silikon, thyristor-thyristor dan transistor-transistor daya. Saat ini elektronika

daya merupakan bagian yang penting dalam industri-industri listrik, industry proses,

transportasi dsb. Sejak tahun 1970 beberapa tipe peralatan semikonduktor daya

dikembangkan dan tersedia seara komersial dan secara garis besar terbagi menjadi 5 tipe :

Sumber Daya

Elektronika Daya

Kontrol+Elektronika

nika Daya Komponen Eletronika daya

Beban

Elekt ron ika Daya

4

1. Dioda Daya,

2. Thyristor

3. Power Bipolar Junction Transistor daya (BJT)

4. Power MOSFET

5.Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) dan Static Induction Transistor (SIT)

1.3. Ruang Lingkup Elektronika Daya

Pengontrolan daya listrik adalah mengubah suatu bentuk daya listrik ke bentuk daya listrik

yang lain disebut juga sistim pengkondisian daya atau sistim konverter daya listrik.

Konversi atau pengubah daya listrik yang demikian ini disebut static converter yang dibagi

dalam 5 klasifikasi :

1. Konverter AC ke DC (Penyearah tak terkontrol dan terkontrol)

2. Konverter DC ke DC (Choper tegangan DC)

3. Konverter DC ke AC (Inverter)

4. Konverter AC ke AC (Kontrol tegangan AC)

5. Saklar static (Static Switch)

Perlu dicatat bahwa beberapa sistem konverter mampu memvariasikan lebih dari satu sifat

keluarannya, sebagai contoh, sebuah inverter terkontrol bisa mempunyai suatu keluaran

dengan frekuensi dan teganganya yang variabel.

Gambar 1-3: Ruang lingkup diagram konversi elektronika daya

- Penyearah tak terkontrol

- AC ke DC (Penyearah terkontrol)

- D

C k

e D

C K

onver

ter

(C

hoper

teg

angan

DC

)

- DC ke AC (Inverter)

- A

C k

e A

C K

onver

ter

(K

ontr

ol

tegan

gan

AC

)

DC

AC DC

AC

Elekt ron ika Daya

5

1.3.1. Konverter AC ke DC (Penyearah tak terkontrol dan terkontrol)

Penyearah (rectifier) mengkonversikan daya listrik AC menjadi daya listrik DC. Jika

dilihat dari tegangan keluaran dan proses konvesinya penyearah ini dibagi 2 bagian yaitu

1. Penyearah tak terkontrol :

Penyearah ini menggunakan rangkaian Dioda yang mengkonversikan tegangan AC

menjadi tegangan DC yang tetap (konstan).

2. Penyearah terkontrol

Penyearah tegangan AC yang tetap mejadi tegangan DC variable. Tegangan AC bisa

berbentuk tegangan AC 1 fasa atau tegangan AC 3 fasa. Penyearah dengan sistim

terkontrol ini unumnya menggunakan komponen elektronika daya yang disebut

thyristor.

Aplikasi dari penyearah terkontrol meliputi :

1. Sistem kontrol kecepatan motor dc, banyak dipakai pada pabrik baja, pabrik kertas

dan sebagainya.

2. Proses-proses elektrokimia dan elektrometalurgi.

3. Suplai daya untuk pengaturan medan magnet.

4. Konverter pada jaringan transmisi DC.

5. Peralatan mesin tangan portabel.

1.3.2. Konverter DC ke DC (Choper tegangan DC)

Konverter DC ke DC biasa disebut DC chopper atau saklar yang diatur (switching

regulator), karena prinsip kerjanya mengubah-ubah tegangan input DC konstan

dikonversikan ke tegangan DC yang variable dengan cara mencacah (chopper) tegangan

masukan.

Chopper dibutuhkan dalam penggerak-penggerak DC kecepatan variable seperti

penggerak dalam bidang transportasi, dimana chopper akan mengurangi disipasi daya

dalam bentuk panas yang dibutuhkan saat starting pada tahanan kontrol kecepatan.

Penggunaan DC chopper diaplikasikan pada:

1. Pengaturan kecepatan motor DC

2. Pengaturan tegangan catu daya DC (Catu daya variable)

Elekt ron ika Daya

6

1.3.3. Konverter DC ke AC (Inverter)

Inverter mengkonversikan tegangan DC ke AC dengan keluaran tegangan dan frekuensi

yang konstan maupun variabel. Inverter dengan tegangan masukan DC konstan menjadi

tegangan keluaran AC konstan disebut Inverter tak terkontrol, Inverter dengan tegangan

masukan DC konstan menjadi tegangan keluaran AC yang variable disebut Inverter

terkontrol.

Penerapan dari inverter meliputi :

1. Catu daya tak terputus untuk computer (UPS)

2. Pengendali motor AC kecepatan variabel

3. Suplai-suplai daya pada pembangkit

Pada kebanyakan penerapan inverter digunakan untuk mengontrol tegangan dan frekuensi

keluaran khususnya pada control kecepatan motor Asinkron.

1.3.4. Konverter AC ke AC (Kontrol tegangan AC)

Konverter tegangan AC ke tegangan AC adalah mengkonversikan sumber tegangan AC

yang mempunyai tegangan dan frekuensi konstan menjadi keluaran dengan tegangan AC

variable dan bisa juga dengan frekuensi yang variable yang disebut Cycloconverter.

Penerapan kontrol tegangan ac meliputi :

1. Pemanasan induksi dari logam pelebur baja

2. Pengontrolan cahaya.

3. Kontrol transformator primer untuk proses-proses elektrokimia

4. Pengontrolan kecepatan untuk motor induksi untuk penggerak kecepatan variabel.

Penerapan dari cycloconverter (konverter frekuensi) meliputi pengendali motor AC

kecepatan variable.

1.3.5. Static Switch

Saklar daya seperti kontaktor yang umumnya digunakan sebagai saklar tegangan AC

maupun DC dengan daya besar bisa diganti dengan static switch atau disebut AC static

switch atau DC static switch.

1.4. Elemen Dasar

Komponen dari elemen dasar, rangkaian dasar serta karakteristik sumber tegangan sampai

dengan beban sudah dibahas dalam rangkaian listrik dan elektronika, namun untuk

memulai matakuiah elektronika daya diperlukan pembahasan/ulasan secara singkat

sebagai pengingat. hal ini diperlukan sebagai dasar untuk menganalisa rangkaian

Elekt ron ika Daya

7

elektronika daya selanjutnya. Rangkaian-rangkaian yang diperlukan guna kerperluan ini

adalah rangkaian yang telah diidealisasikan. Untuk uraian umum dari sebuah sistem

elektronika daya diperlukan elemen-elemen dasar seperti: Sumber tegangan dan

gelombang tegangan, rangakain , transformator. resistor, inductor, kapasitor

1.4.1. Elemen dasar

1. Gelombang periodik dan frekuensi

Jika gelombang tegangan, arus ataupun daya yang besarnya bervariasi terhadap waktu

dan akan mempunyai nilai besaran yang sama (posisi, sudut, kecepatan dst) dan selalu

berulang pada waktu tertentu (waktu tetap), maka besaran tersebut di sebut gelombang

periodik. Waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu gelombang penuh (menempuh

satu gelombang periodic) disebut perioda (T) yang umumnya dalam satuan detik.

Adapun gelombang yang menempuh satu perioda penuh dalam interval waktu tertentu

disebut cycle (siklus) disingkat (s )

Jumlah gelombang periodik yang yang terjadi dalam satu detik atau dalam satu detik

ada kejadian gelombang beberapa siklus (s/detik) disebut frekuensi (f) dalam satuam

Herz (Hz). 1 Hz = 1 s/detik atau f = 1/T.

a. gelombang sinuoida, periodic, b. gelomang periodic, nonsinusoida

c. gelombang sinuoida, periodic, d. gelomang periodic, non sinusoida,

V V

( )t

T

T

T

VV

T

t

t

t

Elekt ron ika Daya

8

2. Sumber tegangan AC sinusoida dengan persamaan : sinv Vm t

3. Sumber tegangan DC ideal seperti battery dengan tegangan konstan terhadap waktu

dengan persamaan v V

4. Transformator penurun dan penaik tegangan satu fasa mempunyai 2 belitan primer dan

sekunder dapat digambarkan sbb:

5. Resistor, Induktor dan Kapasitor

a. Resistor, Induktor dan kapasitor

R = Resistor

V = Tegangan

I = Arus listrik

v V

sinmv V t 0

V

sinmv V t

wt

0

V

t

V

Primer Sekunder

1P

1N

2P

2N

1E2E

1 1

2 2

N E

N E 1

2

Nn

N

E1 = tegangan primer

E2 = tegangan sekunder

N1 = jumlah belitan primer

N2 = jumlah belitan sekunder

( ) ( )v t Ri t

( )

( )

v tR

i t

( ) ( ). ( )P t V t i t

R

i

V

Elekt ron ika Daya

9

b. Induktor

V = tegangan, i = arus

L = induktansi dari induktor

t = waktu

c. Kapasitor

V = tegangan,

i = arus

C = kapasitansi dari kapasitor

t = waktu

6. Penggabungan sumber tegangan

a. Penjumlahan 2 buah sumber tegangan AC dengan frekuaensi yang sama

( )di

v t Ldt

1( )i t vdt

L

C

1( )v t idt

C

( )dv

i t Cdt

1 sinmv V wt

2 sinmv V wt

21V v v

Beban

Beban

A

B

C

A

B

C

A

B

1v

2v

0

V V2v

2v

t

sin sinm mV V t V t

2 sinV Vm t

i

V

i

L V

Elekt ron ika Daya

10

b. Penjumlahan sumber tegangan AC dan DC

1.4.2. Harga Rata-rata dan harga efektif

1. Harga Rata-rata

Setiap bentuk gelombang mempunyai harga rata-rata dan efektif. Harga rata-rata

(Xrata-rata) dari suatu gelombang adalah merupakan penjumlahan dari harga rata-rata

setiap besarnya nilai sesaat gelombang tersebut yang menempuh satu perioda (dalam

satu siklus). Besar nilai sesaat gelombang tersebut bisa positif yaitu diatas sumbu

maupun yang mempunyai nilai negatif dibawah sumbu. Misal harga rata-rata dari

gelombang sinusodida adalah nol.

Beban

Beban

A

B

C

A

B

C

A

B

0

V

0

V

0

V

1 sinmv V wt

2v V

21ACV v v

2 sinACV V Vm t

1v

2v

Beban

Beban

A

B

C

A

B

C

A

B

1v

2v

0

V

0

V

0

V

ABV

2sinABV Vm t V

1 sinmv V wt

2 2v V

2 2v V

1 sinmv V wt

π 2π

Elekt ron ika Daya

11

Harga rata-rata dari gelombang (x) disebut X rata-rata atau Xdc adalah penjumlahan

nilai sesaat gelombang tersebut baik untuk gelombang tegangan maupun gelombang

arus dalam satu periode penuh dirumuskan sbb:

T adalah waktu perioda

t adalah waktu sesaat diantara delombang tersebu.

Atau bisa juga harga rata-rata dari suatu gelombang yang menenpuh satu perioda

penuh dirumuskan sbb:

Jumlah semua luas gelombang dalam satu perioda

Waktu perioda gelombang tersebut

2. Harga Efektif

Harga efektif disebut harga root-mean-square (RMS) atau harga kuadrat dari jumlah

nilai rata-rata dari gelombang satu perioda yang diakarkan (dipangkatkan 1/2). Jika x

adalah gelombang periodic maka nilai efektifnya adalah sbb:

3. Contoh :

Tengangan Arus bolak-balik (AC) dengan persamaan :

Tentukan :

a. Harga rata-rata tegangan tersebut

b. Harga tegangan efektifnya

Jawab :

Bentuk gelombang AC:

1( ) ( )

t T

t

Xrata rata Xdc x t dtT

( )Xrata rata Xdc

1/2

21( ) ( )

t T

t

Xrms Xeff x t dtT

sinmv V t

sinmv V t

0

V

mV

t2

T

Elekt ron ika Daya

12

a. Harga rata-rata tegangan

b. Harga efektif tegangan

2

0

1,rata rataV VmSin t d t

T

2T

2

0( 2 ) ( 0)

2 2

m mrata rata

V VV Cos t Cos Cos

( 1) ( 1) ( 1) (1) 0 02 2 2

m m mrata rata

V V VV Volt

2

2

0

1,efektifV VmSin t d t

T

2T

2 2

2

0 0

2 2 1 2( )( )

2 2 2

m mefektif

V V Cos tV Sin t d t d t

2

0

2

1 24

mefektif

VV Cos t d t

2 2

0 0

2

1 2( )4

mefektif

VV d t Cos t d t

2

2

00

2 1( ) 2( )

4 2

mefektif

VV t Sin t

2 21 1

(2 0) 2(2 ) 2(0) (2 0) (0 0)4 2 2 4

m mefektif

V VV Sin Sin

2 2 2

(2 ) 0 24 4 2

m m mefektif

V V VV

2

mefektif

VV