M O DUL PRAK TIK U M ELEKTRONIKA DAYA · 1. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah...
Transcript of M O DUL PRAK TIK U M ELEKTRONIKA DAYA · 1. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah...
M O DU L PRAK TIK U M
ELEKTRONIKA DAYA
LABORATURIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
U N I V E R S I T A S I N D O NE S I A
2018
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
1
MODUL 1 BRIEFING PRAKTIKUM
Briefing praktikum dilaksanakan hari Senin, 17 September 2018 pukul
18.45. Seluruh praktikan wajib hadir karena pada briefing, terdapat pre-test.
Materi pretest dapat di pelajari pada Bab 1 di buku Power Electronics Circuits,
Devices, and Applications – M. H. Rashid dan Power Electronics – Ned Mohan.
Modul Praktikum Elektronika Daya 2
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
3
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
Modul Praktikum Elektronika Daya 2
Laboratorium Konversi Energi Listrik
• Software ORCAD
• Power Electronic Simulation
Modul Praktikum Elektronika Daya Laboratorium Konversi Energi Listrik
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 bentuk gelombang keluaran di atas untuk masing-masing beban!
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
5
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
6
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
7
B. Percobaan 2 (Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa)
1. Seperangkat Komputer
2. Software MATLAB
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!
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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!
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.
9
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).
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.
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.
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:
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:
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:
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
14
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
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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 turn- off seperti BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, dan GTO.
17
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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)
Singl e Phase Hal f-Bridge Inverter
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.
Singl e Phase Full -Bri dge Inverters
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 6.3. Single Phase Full-Bridge Inverter
Modul Praktikum Elektronika Daya Laboratorium Konversi Energi Listrik
19
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).
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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
20
Modul Praktikum Elektronika Daya Laboratorium Konversi Energi Listrik
Gambar 6.4. Inverter tiga fasa bridge
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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 Singl e 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
Modul Praktikum Elektronika Daya Laboratorium Konversi Energi Listrik
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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,
23
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 Three-Phase Inverter
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
Modul Praktikum Elektronika Daya Laboratorium Konversi Energi Listrik
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 fixed-
voltage 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 t1,
tengangan input Vs akan muncul pada beban. Jika switch SW tertutup selama t2,
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
26
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: V = 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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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
27
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)
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
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 Regul ators / 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
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
pada Gambar 8.4a (seperti step down converter). Didapat dari penurunan rumus,
tegangan output rata-ratanya adalah:
2. Boost Regul ator / 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.
3. Buck-Boost Regul ator
Gambar 8.6. Buck-Boost Regulator
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
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
31
Buck-Boost dapat dilihat pada Gambar 8.6. Transistor Q1 berperan sebagai switch
terkontrol dan dioda Dm sebagai switch yang tak terkontrol. Tegangan output rata-
rata dari regulataor Buck-Boost adalah sebagai berikut.
4. Cuk Regul ator
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:
Hal-hal yang perlu dipelajari:
Circuit Diagram, Switch Representation, Equivalent Circuit, dan
Modul Praktikum Elektronika Daya
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Waveform dari Buck-Boost Regulator dan Cuk Regulator pada Buku
Power Electronics karangan Muhammad H. Rashid
(CHAPTER : DC-DC Converters)
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
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.
Modul Praktikum Elektronika Daya
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.