modul praktikum elektronika daya · 14. laporan praktikum ditulis dengan tulisan tangan pada kertas...
TRANSCRIPT
MODUL PRAKTIKUM
ELEKTRONIKA DAYA Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Indonesia
2019
2019
MODUL PRAKTIKUM
ELEKTRONIKA DAYA Untuk Program Studi Teknik Elektro
Penanggung Jawab:
Ir. Chairul Hudaya, ST, M.Eng., Ph.D, IPM Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Indonesia
Dipublikasikan oleh:
Laboratorium Konversi Energi Listrik
Universitas Indonesia
2019
Penyusun:
Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Indonesia
Harap menyimpan telepon selular
atau perangkat elektronik komunikasi lainnya agar dapat fokus berpraktikum. Dilarang bermain telepon selular atau perangkat elektronik komunikasi lainnya selama praktikum.
Dilarang makan dan minum selama mengoperasikan peralatan praktikum.
Jika terjadi kebakaran, tabung pemadam api terletak di sebelah kiri pintu masuk. Jika terjadi hal-hal yang tidak diharapkan, lakukan prosedur darurat dengan tenang.
Dilarang merokok di setiap
tempat pada lingkungan
Departemen Teknik Elektro.
ASISTEN LABORATORIUM BERHAK MENEGUR ATAU MENINDAK PRAKTIKAN YANG DIANGGAP MEMBAHAYAKAN ATAU MELAKUKAN
HAL-HAL YANG TIDAK SEPATUTNYA SELAMA PRAKTIKUM.
SAFETY INDUCTION
SETIAP PENGOPERASIAN PERALATAN PRAKTIKUM WAJIB DIDAMPINGI ASISTEN LABORATORIUM. BACALAH BAIK-BAIK PETUNJUK KESELAMATAN
UMUM INI DAN PETUNJUK KESELAMATAN PADA SETIAP MODUL SERTA BERDOA SEBELUM MELAKUKAN PRAKTIKUM.
Praktikan wajib mengenakan sepatu yang memadai (menutupi kaki) agar terhindar dari bahaya tersengat listrik dan tertimpa benda-benda dalam praktikum. Praktikan yang tidak bersepatu dilarang mengikuti praktikum, kecuali sakit yang tidak memungkinkan mengenakan sepatu dan atas izin asisten.
Praktikan wajib membaca buku panduan
praktikum dan memperhatikan petunjuk keamanan pada setiap modul sebelum melakukan praktikum.Kerusakan peralatan akibat kecerobohan praktikan harus dipertanggungjawabkan.
Selalu berhati-hati pada saat menggunakan perangkat listrik. Matikan peralatan terlebih dahulu sebelum mencabut kabel atau mengubah konfigurasi peralatan praktikum. Hati-hati bahaya listrik statis.
Dilarang bercanda dan berkelahi di Laboratorium Konversi Energi Listrik selama kegiatan berlangsung. Perhatikan langkah dan gerak ketika sedang bergerak agar tidak menyenggol peralatan.
Pada tahun ini, kami mencoba melakukan pembenahan dan penataan laboratorium termasuk
memutakhirkan konten modul-modul praktikum dan menambah peralatan pendukung agar
praktikum yang dilakukan dapat menyesuaikan dengan perkembangan zaman dan teknologi
terkini. Salah satunya adalah dengan penambahan modul praktikum terkait dengan pembangkit
listrik berbasis energi terbarukan, dalam hal ini pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Selain
itu, kami mencoba untuk dekat dengan industri sehingga bisa bermanfaat bagi para mahasiswa
pasca kelulusan dan juga diharapkan laboratorium dapat mengambil peran dalam penyelesaian
permasalahan di industri, terutama terkait dengan bidang elektronika daya.
Kami tentu menyadari bahwa modul ini masih jauh dari kata sempurna dan masih banyak
terdapat kesalahan serta kekurangan di dalamnya. Untuk itu, kami mengharapkan kritik serta
saran dari pembaca dan praktikan agar Modul ini nantinya dapat menjadi Modul yang lebih
baik lagi.
Demikian yang dapat kami sampaikan, semoga Modul ini dapat bermanfaat. Terima kasih.
Wassalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh.
Depok, 17 Maret 2019
Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik
Departemen Teknik Elektro FTUI
Ir. Chairul Hudaya, ST, M.Eng., Ph.D, IPM
NIP.040903027
Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh.
Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan kami
kemudahan sehingga kami dapat menyelesaikan Modul
Praktikum Elektronika Daya : Aplikasinya untuk Pembangkit
Energi Terbarukan. Tanpa pertolongan-Nya tentunya kami tidak
akan sanggup untuk menyelesaikan modul ini dengan baik.
Shalawat serta salam semoga terlimpah curahkan kepada baginda
tercinta kita yaitu Nabi Muhammad SAW yang kita nanti-natikan
syafa’atnya di akhirat nanti.
KATA PENGANTAR
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 4
PERATURAN PRAKTIKUM
1. Praktikan harus berhati-hati dan dianggap telah mengetahui bahaya listrik.
2. Praktikan harus berpakaian rapi, memakai sepatu tertutup, kemeja atau kaos berkerah (tidak diperkenankan
memakai kaos tanpa kerah maupun kaos yang dilapisi jaket).
3. Praktikan diminta hadir 10 menit sebelum praktikum dimulai.
4. Praktikan yang datang terlambat lebih dari 15 menit dianggap tidak mengikuti praktikum modul tersebut dan
nilai pada modul tersebut dianggap 0 (nol).
5. Praktikan wajib membawa kartu praktikum dan mengumpulkan tugas pendahuluan sebelum praktikum
dimulai. Apabila praktikan tidak membawa kartu praktikum atau tidak mengumpulkan tugas pendahuluan, maka
praktikan tidak diizinkankan mengikuti praktikum.
6. Tugas pendahuluan akan diupload maksimum pukul 18.00 satu hari sebelum praktikum dimulai.
7. Praktikan wajib mengikuti semua proses pelaksanaan praktikum.
8. Praktikan harus ikut menjaga kebersihan laboratorium dan dilarang membawa makanan/minuman kedalam
ruangan praktikum.
9. Izin praktikum selain karena sakit atau kecelakaan MAKSIMUM 24 jam sebelum praktikum, izin karena sakit
atau kecelakaan WAJIB menyerahkan bukti (contoh: surat dari dokter) yang diserahkan saat praktikum
selanjutnya.
10. Praktikan diizinkan memasuki ruangan praktikum setelah dipersilakan masuk oleh asisten laboratorium.
11. Praktikan harus mengisi daftar hadir praktikum dan daftar hadir pengumpulan laporan.
12. Praktikan hanya boleh meninggalkan ruangan praktikum setelah mendapat izin dari asisten laboratorium.
13. Asisten berhak mengganti jadwal praktikum jika praktikan dinilai tidak siap mengikuti praktikum.
14. Laporan praktikum ditulis dengan tulisan tangan pada kertas A4. Praktikan boleh menitipkan laporannya pada
temannya untuk dikumpulkan dengan menyertakan kartu praktikum. Waktu pengumpulan laporan paling
lambat 2x24 jam setelah praktikum. Pengecualian untuk:
Praktikum hari Kamis shift 3 dan 4 = laporan dikumpulkan Sabtu MAKSIMAL 12.00 WIB.
Praktikum hari Jumat all shift = laporan dikumpulkan Senin MAX 08.00 WIB.
15. Setelah selesai praktikum, praktikan diminta untuk merapikan kembali alat-alat yang dipakai praktikum ke
tempatnya semula.
16. Praktikan tidak boleh mengambil barang maupun peralatan yang ada di laboratorium.
17. Pergantian jadwal max 1x24 jam sebelum praktikum dimulai dengan alasan yang DAPAT DITERIMA. Lewat
dari 1 x 24 jam dianggap jadwal TIDAK BERUBAH.
18. Segala tindakan PLAGIARISME oleh praktikan akan berbuah sanksi berupa nilai dari laporan praktikan yang
bersangkutan akan dibagi sesuai dengan jumlah orang.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 5
PROFIL ASISTEN
Firdaus Rahmad Efendi
Muhammad Aziz
Rizqi Koestendyah
Fahmi Firdaus Angkasa
Syauqi IFabian Aji
Wibowo
Nadhif Ahmad Dhialdien
Andri P PurbaMuhammad Aqil Fikry B
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 6
LATAR BELAKANG
Pada era yang sudah memasuki era Industri 4.0 dimana semua teknologi
berbasis internet memegang peran penting dalam kehidupan manusia. Seiring
dengan perkembangan industri 4.0 perkembangan perlatan sangatlah penting
dalam menunjang kemajuan teknologi ini. Elektronika daya merupakan
bidang elektronik yang memiliki potensi sangat besar dalam menunjang
perkembangan kemajuan insdustri yang ada pada saat ini. Dalam kata lain,
elektronika daya sudah menjadi kunci kemajuan teknologi dan akan terus
berkembang mengikuti perkembangan zaman. Terlebih dari pada itu, dengan
energi fosil yang selama ini kita pakai untuk membangkitkan energi listrik
sudah menipis dan manusia sudah harus berpikir untuk mengembangan
energi terbarukan, seperti tenaga matahari, nuklir, bayu (angin) dan lain-lain.
Elektronika Daya (Power Elecronic) menjadi kunci utama dan pendorong
dalam perkembangan energi terbarukan.
Guna merancang dan melengkapi fasilitas pembekalan bagi mahasiswa
Departemen Teknik Elektro Universitas Indonesia, maka dibuatlah modul
Elektronika Daya & Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan yang
akan digunakan dalam praktikum Elektronika Daya laboratorium Konversi
Energi Listrik. Pada Praktikum ini terdapat 12 modul yang akan dibagi kedalam
5 kali praktikum, modul tersebut adalah :
1. Pendahuluan Elektronika daya dan Safety Induction
2. Dioda Daya 3. Penerapan Dioda daya
4. Inverter
5. Penerapan Inverter satu fasa dan tiga Fasa
6. Thyristor 7. Penerapan Thyristor
8. DC-DC Converter 9. Buck, Boost, BuckBoost, Cuk
10. PLTS
11. Penerapan PLTS 12. Post test Elektronika Daya
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 7
DAFTAR ISI
SAFETY INDUCTION ....................................................................................... 2
KATA PENGANTAR ........................................................................................... 3
PERATURAN PRAKTIKUM .............................................................................. 4
PROFIL ASISTEN .............................................................................................. 5
LATAR BELAKANG ........................................................................................... 6
PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA ............................................................. 8
MODUL 1 .......................................................................................................... 18
MODUL 2 .......................................................................................................... 21
MODUL 3 .......................................................................................................... 24
MODUL 4 .......................................................................................................... 30
MODUL 5 .......................................................................................................... 35
MODUL 6 .......................................................................................................... 40
MODUL 7 .......................................................................................................... 43
MODUL 8 .......................................................................................................... 48
MODUL 9 .......................................................................................................... 51
MODUL 10 ........................................................................................................ 56
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 8
PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA
Pendahuluan
Elektronika Daya merupakan salah satu bidang ilmu yang
mempelajari dan membahas aplikasi elektronika yang berkaitan dengan
peralatan listrik yang berdaya cukup besar. Berbagai macam peralatan dan
aplikasi nyata di industri yang menggunakan sumber listrik memiliki
kapasitas daya yang sangat besar seperti motor listrik, pemanas,
pendingin, fun, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi -aplikasi lainnya.
Elektronika daya mulai populer setelah berbagai pengaturan secara
konvensional kurang dapat memenuhi kebutuhan industri. Pengaturan
berbagai aplikasi di industri secara konvensional tidak efektif dan
menimbulkan rugi-rugi yang cukup besar sehingga diperlukan mekanisme
pengaturan yang lebih baik. Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan
perangkat elektronika.
Untuk dapat melakukan pengaturan berbagai macam peralatan di
industri diperlukan peralatan kontrol yang mampu beroperasi pada tegangan
dan arus yang cukup besar. Elektronika Daya memberikan solusi terhadap
permasalahan di dunia industri untuk dapat melakukan pengaturan
peralatan-peralatan dengan menggunakan rangkaian yang dapat bekerja
dengan arus dan tegangan yang besar. Beberapa aplikasi di industry bekerja
pada arus yang mencapai ratusan bahkan ribuan amper dan tegangan yang
tinggi 220 V, 380 V, 600 V, 3,8 KV bahkan ada yang lebih tinggi lagi.
Pengaturan peralatan yang berdaya besar ini tidak mungkin dilakukan
dengan rangkaian elektronika yang berdaya kecil seperti peralatan rumah
tangga yang arusnya kurang dari 5 Ampere dan tegangannya kurang dari 60
V
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 9
Ruang Lingkup
Bidang ilmu Elektronika Daya mencakup berbagai bidang ilmu yang
mendasari perkembangan ilmu ini. Beberapa bidang ilmu yang terkait
dengan Elektronika daya diantaranya adalah: 1) Elektronika, 2) Teori
rangkaian, Sistem control, Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik, Sistem
Tenaga Listrik, Komponen semikonduktor dan computer. Secara lengkap,
ruang lingkup materi bahasan Elektronika Daya seperti pada gambar di bwah
ini.
Gambar 1. Ruang lingkup elektronika daya
1. Sistem Elektronika
Sistem elektronika merupakan dasar utama pada aplikasi elektronika
daya. Sistem elektronika akan membahas tentang peralatan elektronika
yang terdiri dari semikonduktor dan komponen lainnya dalam suatu
rangkaian elektronika. Untuk mempelejari elektronika daya diperlukan
pemahaman terhadap materi rangkaian elektronika baik analog maupun
digital.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 10
2. Sistem Tenaga Listrik
Objek utama dalam apliksasi elektronika daya adalah peralatan dan sistem
yang memiliki daya (tegangan dan arus) listrik yang cukup besar. Oleh karena
itu untuk lebih memahami elektronika daya diperlukan pemahaman yang baik
terhadap sistem tenaga listrik.
3. Sistem Kontrol
Aplikasi elektronika daya pada umumnya untuk melakukan pengontrolan
aplikasi di industri. Oleh karena itu diperlukan pemahaman yang baik
terhadap teknik dan sistem kontrol berbagai peralatan yang digunakan di
industri. Contoh pengaturan yang paling sering ditemui adalah pengaturan
kecepatan putar motor listrik, pengaturan torsi motor listrik, pengaturan
kecepatan aliran (flow) minyak, gas, pengaturan temperature, pengaturan
tekanan, pengaturan kecepatan conveyor, pengaturan gerakan peralatan di
industri dan pengaturan -pengaturan parameter lainnya.
Definisi Elektronika Daya
Elektronika Daya (Power Electronics) didefinisikan sebagai sebuah
aplikasi elektronika yang menitikberatkan pada pengaturan peralatan listrik
yang berdaya besar dengan cara melakukan pengubahan parameter-
parameter listrik (arus, tegangan, daya listrik). Aplikasi elektronika disini
dimaksudkan rangkaian yang menggunakan peralatan elektronika terutama
semikonduktor yang difungsikan sebagai saklar (switching) untuk
melakukan pengaturan dengan cara melakukan pengubahan tipe sumber
dari AC – AC, AC – DC, DC – DC dan DC – AC. Peralatan semikonduktor
yang digunakan adalah solid-state electronics untuk melakukan pengaturan
yang lebih efesien pada sistem yang mempunyai daya dan energy yang besar.
Aplikasi elektronika daya memiliki karakteristik sebagai berikut:
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 11
1. Aplikasi teknik kontrol untuk mendapatkan sinyal control
2. Elektronika daya merupakan gabungan dari berbagai disiplin ilmu yaitu
Teknik Tenaga Listrik, Elektronika dan teknologi siste m kontrol.
3. Elektronika daya menggunakan komponen elektronika daya (solid-
state) untuk mengontrol dan mengkonversi tenaga listrik
4. Rangkaian elektronika daya terdiri dari input dan beban (load) .
Secara umum, aplikasi elektronika daya dapat dijelaskan dengan
diagram skematik sebagai berikut:
Gambar 2. Skematik Elektronika Daya
Fungsi Peralatan Semikonduktor
Peralatan semikonduktor pada sistem elektronika daya mempunyai fungsi
utama sebagai berikut:
1. Switching
Fungsi utama semikonduktor pada aplikasi elektronika daya adalah sebagai
saklar atau switching. Proses switching merupakan dasar dari materi pada
elektronika daya sehingga perlu difahami dengan baik. Switching dilakukan
secara elektronik dengan kecepatan tinggi yang dapat diatur sesuai dengan
kebutuhan.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 12
2. Converting
Fungsi yang kedua dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah
untuk melakukan pengubahan atau converting dari tipe sumber. Konversi
dapat dilakukan dari AC ke DC, AC ke AC, DC ke DC maupun dari DC ke AC.
Proses pengubahan besaran meliputi pengubahan bentuk gelombang arus,
tegangan maupun besaran lainnya.
3. Controlling
Fungsi yang ketiga dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah
untuk melakukan pengaturan aplikasi elektronika industri sesuai dengan yang
diinginkan. Contoh pengaturan adalah pengaturan tegangan, pengaturan
arus, pengaturan daya listrik dan pengaturan besaran-besaran lainnya.
Dengan melakukan pengaturan besaran listrik akan berpengaruh pada sistem
kerja pada sistem yang bekerja di industri seperti kecepatan putaran,
tekanan, suhu, kecepatan gerak, dan sistem kerja lainnya.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 13
Aplikasi dan Contoh Penggunaan Elektronika Daya
Aplikasi rangkaian elektronika banyak digunakan untuk kepentingan peralatan
rumah tangga dan industri. Perangkat elektronika daya banyak digunakan
pada peralatan konversi daya listrik yang besar seperti : saluran transmisi
daya listrik, jaringan distribusi daya listrik, pengaturan motor listrik secara
elektronis di industri, pengatur pemanas air, pengubah daya listrik AC menjadi
DC, DC menjadi DC, DC menjadi AC untuk kepentingan pengaturan peralatan
di industri, charger baterai pada peralatan industri, dan lain sebagainya.
Dalam kehidupan sehari-hari aplikasi elektronika daya dapat dilihat pada UPS
(Uninterabable Power Supply), inverter, catu daya untuk laptop,
notebook dan komputer, pengatur tingkat keterangan lampu, peredup lampu
(dimmer), pengatur pemanas, pengatur cahaya, ballast elektronik pada lampu
neon, relai-relai elektronik, pemutus tenaga, sistem elektronis dalam mobil
dan wahana ruang angkasa. Selain itu
Aplikasi elektronika daya juga banyak digunakan diindustri untuk pengaturan
berbagai peralatan industri seperti pengaturan kecepatan putar motor listrik,
pengatur kecepatan putar penggerak konveyor, pengatur kecepatan gerak lift,
pengatur kece patan gerak eskalator dengan beban yang berubah-ubah,
pengaturan kecepatan aliran fluida gas dan minyak, pengaturan tekanan pada
mesin pompa, blower, pengaturan kipas dan lain sebagainya.
Karakteristik Semikonduktor Daya Sebagai Saklar
1. Dioda
Dioda merupakan komponen elektronika daya yang memilki dua terminal,
yaitu: anoda (A) dan katoda (K). Jika sebuah dioda difungsikan sebagai
sakelar elektronis dalam suatu rangkaian tertutup, maka dioda akan konduksi
(ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda.
Kondisi ini biasanya disebut dalam keadaan bias maju (forward bias – FB).
Sebaliknya, dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda lebih
negatif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini disebut dalam
keadaan bias mundur (reversed bias – RB).
Jika diode dalam kondisi ideal, ketika dioda dalam kondisi ON memiliki
karakteristik tegangan pada dioda sama dengan nol dan arus yang
mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, dioda dalam kondisi OFF
memiliki karakteristik tegangan pada dioda sama dengan tegangan
sumbernya dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi
dioda ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada dioda.
Gambar 1 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dioda
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 14
pada kondisi- ajeg (steady-state). Dioda daya memiliki kapasitas tegangan
dan arus hingga 3000 V, 3500A, dengan waktu pemulihan balik antara 0,1 –
5 S (detik).
2. Thyristor
Semikonduktor daya yang termasuk dalam keluarga thyristor ini, antara lain
: SCR (silicon-controlled retifier), GTO (gate turn-off thyristor), dan TRIAC.
SCR banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya. SCR memiliki tiga
terminal, yaitu anoda, katoda, dan gate. SCR dapat digunakan dengan sumber
masukan dalam bentuk tegangan bolak-balik (AC) maupun tegangan searah
(DC). SCR dalam rangkaian elektronika daya dioperasikan sebagai sakelar
elektronik.
Jika sumber tegangan masukan yang digunakan tegangan searah, SCR
akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial
pada katoda dan pada terminal gate dialirkan arus pulsa positif. Kondisi ON
SCR ini ditentukan oleh besar arus pulsa positif pada gate. Tetapi, SCR akan
terus ON meskipun arus pulsa pada gate diputus. SCR akan putus (OFF)
dengan cara membuat potensial pada anoda sama dengan katoda. Proses
pengaliran arus listrik pada terminal gate ini disebut penyulutan/ pemicu
(triggering), sedangkan proses pemutusan (OFF) dari kondisi ON ini disebut
komutasi (commutation).
Selanjutnya, jika sumber tegangan masukan yang digunakan tegangan bolak-
balik, SCR akan ON ketika tegangan bolak-balik pada polaritas positif
dan akan OFF pada polaritas negatif, tetapi pada terminal gate harus selalu
dialirkan arus pulsa positif. Berbeda dengan karakteristik sebelumnya, SCR
akan OFF ketika arus pulsa pada gate diputus. Hal ini berarti, arus pulsa
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 15
pada gate harus selalu dihubungkan dengan terminal gate agar rangkaian
dapat bekerja sebagaimana yang diharapkan.
Jika SCR dalam kondisi ideal, ketika SCR dalam kondisi ON memiliki
karakteristik tegangan pada SCR sama dengan nol dan arus yang
mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, SCR dalam kondisi OFF
memiliki karakteristik tegangan pada SCR sama dengan tegangan
sumbernya dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi
SCR ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada SCR.
SCR yang digunakan untuk konversi daya besar umumnya memiliki
kapasitas tegangan dan arus mencapai 5000 V, 5000 A, dengan frekuensi
pensakelaran dari 10 – 20 kHz. Gambar 2 menunjukkan simbol, karakteristik
i-v, dan karakteristik ideal dari SCR.
3. Transistor
Transistor memiliki tiga terminal : basis, emitor, dan kolektor. Pada rangkaian
elektronika daya, transistor umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan
konfigurasi emitor-bersama. Transistor bekerja atas dasar prinsip kendali-
arus (current driven).
Transistor dengan jenis NPN akan ON jika pada terminal kolektor-emitor diberi
panjar (bias) dan pada basis memiliki potensial lebih positif daripada emitor
dan memiliki arus basis yang mampu mengendalikan transistor pada daerah
jenuh. Sebaliknya, transistor akan OFF jika arus basis dikurangi hingga pada
kolektor tidak dapat mengalirkan arus listrik.
Jika transistor dalam kondisi ideal, ketika transistor dalam kondisi ON memiliki
karakteristik tegangan pada terminal emitor dan kolektor (VCE) sama dengan
nol dan arus yang mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, ketika
transistor dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada transistor
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 16
sama dengan tegangan sumbernya (VCC) dan arus yang mengalir sama
dengan nol. Dalam kondisi transistor ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak
terjadi kerugian daya pada transistor sebagai sakelar. Transistor daya
umumnya digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan
arus mencapai 1200 V, 400 A, dengan frekuensi pensakelaran di bawah 10
kHz.
4. Mosfet
MOSFET merupakan piranti semikonduktor daya yang memiliki tiga terminal:
gate (gerbang), sumber (source), dan pengalir (drain). MOSFET bekerja atas
dasar prinsip kendali-tegangan (voltage-driven). Gambar 4 merupakan
simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dari MOSFET. Rangkaian
pengaturan ON dan OFF dengan piranti MOSFET lebih mudah dibandingkan
piranti transistor. Jika pada terminal gerbang-sumber dicatu tegangan yang
cukup besar maka piranti akan ON, sehingga menghasilkan tegangan yang
kecil antara terminal pengalir-sumber. Dalam kondisi ON, perubahan
tegangan pada terminal pengalir-sumber berbanding lurus dengan arus pada
terminal pengalirnya. Jadi, terminal pengalir-sumber memiliki resistansi
sangat kecil pada saat kondisi ON. MOSFET daya umumnya digunakan sebagai
konverter dengan kapasitas tegangan dan arus mencapai 1000 V, 50 A,
dengan frekuensi pensakelaran di atas 100 kHz.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 17
G. Daftar Pustaka
Hart, DW. (1997). Introduction to Power Electronics. Indiana: Prentice-Hall International,
Inc. Rashid, MH. (1988). Power Electronics: Circuits, devices and application.
New Jersey: Prentice-Hall, Inc.
Singh, MD. (1998). Power Electronics. New Delhi: Tata McGraw-Hill
Publishing Company Limited.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 18
MODUL 1
DIODA DAYA
Tujuan
1. Memahami karateristik dari Dioda Daya
2. Memahami jenis-jenis dari Dioda Daya
Dasar Teori Dioda daya merupakan divais 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 diode dapat digambarkan sebagai
rangkaian short circuit, sedangkan pada saat off diode dapat digambarkan
sebagai rangkaian open circuit. Berdasarkan prinsip kerja 18iode maka dalam
aplikasinya dalam elektronika daya diode digunakan sebagai penyearah.
Dioda dilambangkan seperti pada gambar di bawah ini :
Gambar 1.1 Lambang Dioda
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 19
Yang membedakan dioda daya dengan dioda sinyal yaitu dioda
daya:
1. Memiliki daya yang besar
2. Kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih
besar
3. Kecepatan pensaklaran (respon frekuensi) lebih rendah
Kurva karakteristik dioda daya:
Dioda daya dapat dibagi menjadi tiga jenis antara lain:
1. General-purpose Diode
2. Fast-recovery Diode
3. Schottky Diode
Gambar 1.2 Kurva Karateristik Dioda
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 20
Hal-hal yang perlu dipelajari:
1. Dasar divais elektronika
2. Tipe-tipe pencatuan pada dioda
3. Kurva karakteristik Dioda
4. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter:
Power Semiconductor Diodes & Circuit)
Peralatan Percobaan
1. Software Pspice 2. Software ORCAD
3. 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).
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 21
MODUL 2
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
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:
Gambar 2.1 Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 22
Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa
Pada saat tegangan input (Vs) yang diberikan lebih dari nol
maka D1 dan D2 akan menghantar (konduksi) dan selama Vs
kurang dai nol maka D3 dan D4 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:
Gambar 2.1 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 23
Hal-hal yang perlu dipelajari:
1. Aplikasi diode sebagai penyearah setengah gelombang
2. Aplikasi diode sebagai penyearah gelombang penuh
3. Aplikasi diode sebagai penyearah tiga fasa
4. 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
Prosedur Percobaan
A. Percobaan 1 (Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa)
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 (Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa)
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).
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 24
MODUL 3
THYRISTOR
Tujuan
1. Memahami prinsip dan cara kerja thyristor
2. Memahami konstruksi Thyristor
3. Memahami karakteristik jenis-jenis 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 atau “off-state”. 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. Karena J1 dan J3 sudah dalam keadaan
forward biased, maka carrier dapat bergerak bebas pada ketiga
junction, menghasilkan arus forward anoda bernilai besar. Kondisi ini
disebut conducting state atau “on-state”.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 25
Berikut kurva karakteristik tegangan-arus pada thyristor:
Thyristor akan aktif dengan meningkatkan arus anoda dengan
cara:
1. Pemanasan
2. Pencahayaan
3. Tegangan tinggi
4. dv/dt
5. Arus Gate
Gambar 3.1 Thyristor dan Simbolnya
Gambar 3.2 Kurva Karakteristik Thyristor
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 26
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. Pada semua teknik komutasi, arus
pada anoda akan berada dibawah holding current untuk waktu yang
lumayan lama agar semua carrier yang berlebih pada keempat layer
dapat terbuang atau rekombinasi. Berikut kurva perbandingan dari
masing-masing tipe komutasi:
Gambar 3.3 Line-commutated Thyristor Circuit
Gambar 3.4 Forced-commutated Thyristor Circuit
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 27
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)
7. Light-activated silicon-controlled rectifiers (LASCRs).
8. FET-controlled thyristors (FET-CTHs).
9. MOS-controlled thyristor (MCTs)
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 28
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat komputer
2. Perangkat lunak Matlab
Prosedur Percobaan
A. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap tegangan keluaran rata-rata
pada semikonverter satu fasa.
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink
single_phase_semiconverter.
2. 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.
3. Amati dan gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk salah
satu nilai fasa yang digunakan.
4. Catat besarnya tegangan dari tiap variasi nilai fasa
B. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap bentuk tegangan keluaran
pada full konverter satu fasa dengan beban RL.
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink
single_phase_fullcconverter.
2. 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 delay
T3= phase delay T4 = α2.
3. Gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk masing-masing
nilai fasa yang digunakan.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 29
C. Pengaturan kecepatan motor DC dengan pengontrolan fasa
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink dc_motor_control.
2. 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.
3. Catat besar kecepatan dalam rpm yang terlihat pada osiloskop
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 30
MODUL 4
CONTROLLED RECTIFIER
Tujuan:
1. Memahami penyearah setengah gelombang satu fasa menggunakan
thyristor.
2. Memahami penyearah gelombang penuh satu fasa menggunakan
thyristor.
3. 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.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 31
Semikonverter satu fasa memiliki rangkaian sebagai berikut:
Nilai α akan mempengaruhi besarnya tegangan keluaran pada
beban.
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:
Gambar 4.1 Rangkaian Semikonverter Satu Fasa
Gambar 4.2 Rangkaian Fullkonverter Satu Fasa
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 32
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.
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.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 33
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat Komputer
2. Software MATLAB
Prosedur Percobaan
A. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap tegangan keluaran rata-rata
pada semikonverter satu fasa.
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink
single_phase_semiconverter.
2. 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.
3. Amati dan gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk salah
satu nilai fasa yang digunakan.
4. Catat besarnya tegangan dari tiap variasi nilai fasa
B. Pengaruh pengontrolan fasa terhadap bentuk tegangan keluaran
pada full konverter satu fasa dengan beban RL.
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink single_phase_full
converter.
2. 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 delay
T3= phase delay T4 = α2.
3. Gambarkan hasil keluaran di osiloskop untuk masing-masing
nilai fasa yang digunakan.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 34
C. Pengaturan kecepatan motor DC dengan pengontrolan fasa
Langkah-langkah:
1. Buka program Matlab, buka simulink dc_motor_control.
2. 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.
3. Catat besar kecepatan dalam rpm yang terlihat pada osiloskop
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 35
MODUL 5
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
2. Inverter 3 fasa
Kedua tipe ini dapat menggunakan divais terkontrol turn-on dan
turn- off seperti BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, dan GTO.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 36
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
Gambar 5.1 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.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 37
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 5.2 Single Phase Full-Bridge Inverter
Single Phase bridge voltage source inverter (VSI) ditunjukan pada
gambar 6.2a. 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 6.2b. Pada
Tabel 6.1 dijelaskan ada 5 keadaan switch (switch state).
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 38
Tabel 5.1 Switch State in Single Phase Inverter
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.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 39
Peralatan Percobaan
1. Seperangkat computer
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
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 40
MODUL 6
INVERTERS 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.
Dasar Teori
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.
Terdapat dua tipe Inverter tiga fasa, yaitu :
1) 180-degree conduction
Gambar 6.1 Phase Voltage ketika 180-degree conduction
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 41
2) 120-degree conduction
Gambar 6.2 Waveform for 120-degree conduction
Voltage Control of Three-Phase Inverter
Teknik yang biasa digunakan dalam kontrol tegangan pada inverter tiga
fasa, yaitu:
1. Sinusoidal PWM
2. Third-Harmonic PWM
3. 60° PWM
4. Space vector modulation
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 42
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
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 43
MODUL 7
DC-DC CONVERTER (BUCK-BOOST)
Tujuan
1. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Buck
2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Boost
Dasar Teori
Pada beberapa aplikasi industri, diperlukan alat untuk mengkonversi
tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang dapat diubah-ubah, yaitu
DC-DC Converter. DC-DC converter dapat dianggap seperti transformer
pada tegangan AC, yang bisa digunakan sebagai penaik tegangan (step up)
atau penurun tegangan (step down). Selain itu, DC-DC Converters biasa
digunakan untuk pengontrolan motor DC, catu daya switching, dan
regulator tegangan DC. Oleh karena itu, DC-DC Converters banyak
digunakan pada mobil listrik hingga sistem kelistrikan pesawat luar
angkasa. DC-DC Converter dapat menghasilkan keluaran tegangan DC
yang tetap ataupun berubah dari tegangan DC yang tetap maupun
berubah. Idealnya, tegangan output dan arus input merupakan bentuk DC
murni, tetapi pada praktiknya tegangan output dan arus input mengandung
harmonik atau ripple.
Dalam siklus elektronika daya digunakan dua siklus, yaitu switching
on dan off. Masing-masing siklus tersebut memiliki waktu tersendiri (t1 dan
t2). Total dari siklus tersebut disebut dengan chopping period (T).
Sementara itu banyaknya siklus dalam satuan waktu disebut dengan
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 44
frekuensi chopping (f). Duty Cycle adalah siklus pertama (t1) dibagi dengan
total sikuls (T).
𝑘 = 𝑡1
𝑇 ……………(7.1)
Duty Cycle bernilai antara 0 dan 1 dengan mengontrol nilai t1. Tipe
dari pengontrolan ini dikenal dengan Pulse Width Modulation (PWM), yaitu
memvariasikan lebar pulsa gelombang
Berdasarkan arah dari aliran arus dan tegangan, DC-DC Converter
dapat diklasifikasikan menjadi 5 tipe, yaitu:
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-DC Converter bisa digunakan sebagai switching-mode regulators
untuk mengkonversi tegangan DC yang tidak teregulasi menjadi tegangan
DC yang teregulasi. Biasanya hal ini berjalan dengan PWM pada frekuensi
tetap dan divais switching yang biasa digunakan adalah BJT, MOSFET, atau
IGBT. Terdapat empat dasar topologi dari mode switching regulators yaitu
Buck, Boost, Buck-boost, dan Cuk.
Step Down DC Chopper
Gambar 7.1 Rangkaian dan Waveforms dari DC Chopper Step Down
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 45
Cara kerja dari DC Chopper Step Down dapat dilihat dari Gambar.8.1.
Saat switch Chopper (S), tertutup dengan lama waktu t1 ,tegangan input
Vs akan muncul pada beban. Jika switch S tertutup selama t2, tegangan
yang ada pada beban menjadi 0. Bentuk gelombang dari tegangan output
dapat dilihat pada Gambar 8.1. Switch Ss dapat menggunakan divais
semikonduktor seperti Power BJT, Power MOSFET, GTO (Gate-Turn-On
Thyristor), atau IGBT (Insulated Field-Effect Transistor) . Divais
semikonduktor tersebut digunakan karena memiliki tegangan jatuh
(voltage drop) yang terbatas dari 0,5 hingga 2 V, dan untuk mempermudah
maka voltage drop dari divais semikonduktor tersebut kita abaikan.
Tegangan output rata-rata dari DC Chopper Step Down adalah
𝑉𝑎 =1
𝑇∫ 𝑣0 𝑑𝑡 =
𝑡1
𝑇 𝑉𝑠 = 𝑓 𝑡1 𝑉𝑠 = 𝑘 𝑉𝑠
𝑡1
0 ……………(8.2)
Step Up DC Chopper
Gambar 7.2 Rangkaian dan Waveforms dari DC Chopper Step Up
Cara kerja dari DC Chopper Step Up dapat dilihat dari rangkaian pada
Gambar 8.2. Ketika switch S tertutup selama t1, arus pada induktor akan
naik dan energi akan tersimpan pada induktor L. Ketika switch S terbuka
selama waktu t2, energi yang tersimpan pada induktor akan mengalir
melalui dioda ke beban dan menyebabkan arus induktor menurun. Tranfer
energi ini dapat dibagi menjadi 2 siklus berdasarkan cara kerjanya, yaitu
siklus 1 (selama t1) dan siklus 2 (selama t2. Arus yang mengalir dapat
dilihat pada Gambar 8.2.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 46
Tegangan output rata-rata dari DC Chopper Step Up adalah
𝑉0 = 𝑉𝑠 + 𝐿∆𝐼
𝑡2= 𝑉𝑠 (1 +
𝑡1
𝑡2) = 𝑉𝑠
1
1−𝑘 ……………(8.3)
Buck Regulators
Gambar 7.3 Rangkaian dan Waveforms dari Buck Regulator
Pada regulator buck, tegangan output rata-rata Va lebih rendah
dibanding tegangan input Vs. Rangkaian dari regulator buck menggunakan
power BJT seperti pada Gambar 8.3 (seperti step down converter). Rumus
dari tegangan output rata-ratanya adalah:
𝑉𝑎 = 𝑉𝑠 𝑡1
𝑇= 𝑘 𝑉𝑠 ……………(7.4)
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 47
Boost Regulators
Gambar 7.4 Rangkaian dan Waveforms dari Boost Regulator
Pada regulator Boost, tegangan output lebih besar dibanding tegangan
input. Regulator boost menggunakan power MOSFET untuk switchingnya
seperti terlihat pada Gambar 8.4. Rumus dari tegangan output rata-ratanya
adalah :
𝑉𝑎 = 𝑉𝑠 𝑇
𝑡2=
𝑉𝑠
1−𝑘……………(8.5)
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)
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 48
MODUL 8
DC-DC CONVERTER (BUCK-BOOST & CUK)
Tujuan
1. Memahami karakteristik dari switch transistor ideal
2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Buck boost
3. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC
Converter Cuk
Dasar Teori
Ideal Switch
Pada dasarnya tipe-tipe dari switching sangatlah banyak. Setiap divais
memiliki kelebihan dan kekurangan yang digunakan untuk aplikasi yang
berbeda-beda. Pengembangan dari elektronika daya ini bertujuan untuk
mencapai karakteristik “super device”. Maka dari itu, karakteristik dari
divais asli akan dibandingkan dengan karakteristik referensi atau
karakteristik ideal dari super device. Karakteristik dari ideal switch adalah
sebagai berikut :
1. Pada keadaan ON, Arus yang mengalir mendekati tak hingga, voltage
drop rendah atau mendekati nol, dan resistansi on-state rendah atau
mendekati nol yang menyebabkan rugi daya mendekati nol.
2. Pada keadaan OFF, divais harus dapat menghadapi tegangan high
forward atau reverse, yang mendekati tak hingga, tidak terjadi
kebocoran arus, dan resistansi off-state yang rendah atau mendekati
nol yang menyebabkan rugi daya mendekati nol.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 49
3. Pada saat keadaan transisi antara ON dan OFF, harus memilki delay
time yang mendekati nol, rise time mendekati nol, stroge time
mendekati nol, dan fall time mendekati nol.
4. Keadaan ON dan OFF harus bisa dikontrol.
5. Pulsa antara keadaan ON dan OFF harus sekecil mungkin.
6. Divais harus dapat menghadapi perubahan tegangan yang cepat.
7. Divais harus dapat menghadapi perubahan arus yang cepat.
8. Dapat tahan terhadap fault current pada keadaan yang lama
9. Disipasi panas baik.
10. Harga yang ekonomis.
Buck-boost Regulator
Gambar 8.1 Rangkaian dan Waveforms dari 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 Buck-Boost dapat dilihat pada Gambar
9.1. Transistor S berperan sebagai switch terkontrol dan dioda D sebagai
switch yang tak terkontrol.
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 50
Tegangan output ratarata dari regulataor Buck-Boost adalah sebagai
berikut.
𝑉𝑎 = − 𝑘𝑉𝑠
1−𝑘 ……………(9.1)
Cuk Regulator
Pada rangkaian regulator Cuk, komponen switch yang digunakan
adalah pwer BJT seperti terlihat pada Gambar 9.2. Sama seperti regulator
Buck-boost, regulator cuk memiliki tegangan output yang bisa lebih besar
maupun lebih kecil daripada tegangan input
Gambar 8.2 Rangkaian dan Waveforms dari Cuk Regulator
Tegangan output rata-rata dari regulator cuk:
𝑉𝑎 = − 𝑘𝑉𝑠
1−𝑘 ……………(9.2)
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 51
MODUL 9
PENGANTAR PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA
Tujuan
1. Memahami komponen penyusun PLTS
2. Memahami cara kerja PLTS
3. Memahami karakteristik daya pada PLTS
Dasar Teori
Energi matahari adalah sumber utama energi bagi makhluk hidup di
muka bumi, yang secara alami diisi kembali dalam waktu singkat. Energi
matahari disebut sumber "energi terbarukan" atau "energi berkelanjutan"
karena alasan tersebut. Untuk memanfaatkan energi matahari, berbagai
teknologi digunakan untuk mengonversi energi matahari menjadi panas
dan listrik. Penggunaan energi matahari melibatkan juga hal tentang
'konservasi energi' karena ini adalah cara untuk menggunakan sumber
energi yang berasal dari alam dan menggunakannya dengan lebih bijak dan
efisien. Salah satu pemanfaatan energi matahari adalah dengan
mengonversinya menjadi suatu energi listrik. Energi matahari dapat
dimanfaatkan menjadi energi listrik dengan menggunakan Sel Surya (Solar
Cell).
Sel Surya atau sel Photovoltaic (PV) adalah perangkat yang terdiri
dari bahan semikonduktor seperti silikon, gallium arsenik, kadmium
tellurida, dan bahan campuran lainnya yang dapat mengubah sinar
matahari langsung menjadi listrik. Hal ini dikarenakan ketika sel surya
terpapar sinar matahari langsung atau menyerap sinar matahari, elektron
dan holes bebas tercipta pada persimpangan positif atau negatif. Jika
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 52
persimpangan positif dan negatif dari sel surya terhubung ke peralatan
listrik DC, arus dikirim untuk mengoperasikan peralatan listrik.
Terdapat tiga klasifikasi utama sel surya berdasarkan bahan
semikonduktor yang digunakan yaitu:
a. Crystalline Silicon PV Module
b. Amorphous Silicon PV Module
c. Hybrid Silicon PV Module
Sedangkan berdasarkan manufakturnya, sel surya jenis Crystalline
Silicon dibagi kembali menjadi dua jenis yang utama yaitu:
a. Monocrystalline Silicon PV Module
b. Polycrystalline Silicon PV Module
Bahan semikonduktor yang saat ini paling digunakan untuk produksi
sel surya adalah silikon. Silikon memiliki beberapa keunggulan sebagai; itu
dapat dengan mudah ditemukan di alam, tidak mencemari, tidak merusak
lingkungan dan dapat dengan mudah dilelehkan, diproses dan dibentuk
menjadi bentuk silikon monokristalin maupun polikristalin. Sel surya
umumnya dikonfigurasikan sebagai P-N Junction yang besar dan terbuat
dari silikon.
Gambar 9.1 (a) Monocrystalline Silicon PV Module (b) Polycrystalline
Silicon PV Module (c) Amorphous Silicon PV Module
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 53
Sel surya menghasilkan arus searah (DC), oleh karena itu mereka hanya
digunakan untuk peralatan yang menggunakan listrik DC. Jika listrik arus
bolak-balik (AC) diperlukan untuk peralatan yang membutuhkan listrik AC
atau energi cadangan diperlukan, sistem fotovoltaik surya memerlukan
komponen lain selain modul sel surya. Komponen-komponen ini dirancang
khusus untuk diintegrasikan ke dalam sistem sel surya, komponen-
komponen ini membentuk suatu sistem produk energi terbarukan atau
produk konservasi energi. Komponen tersebut antara lain:
1. Solar Module
2. Solar Charge Controller
3. Battery
4. Inverter
5. Lighting Protection
Gambar 9.2 Skema cara kerja sel surya
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 54
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) atau Solar Photovoltaic
Power System diklasifikasikan menjadi 3 berdasarkan alur daya yang
terjadi yaitu:
1. PLTS on-grid
Gambar 9.3
Sistem sederhana PLTS
Gambar 9.4 Sistem sederhana PLTS on-grid
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 55
2. PLTS off-grid
3. PLTS Hybrid
Gambar 9.5
Sistem sederhana PLTS off-grid
Gambar 9.6 Sistem sederhana PLTS hybrid
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 56
MODUL 10
PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA
Tujuan
1. Memahami parameter-parameter penyusun PLTS.
2. Mengetahui perhitungan perancangan PLTS.
3. Memahami perancangan PLTS sesuai dengan kebutuhan.
Dasar Teori
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya mencakup berbagai komponen yang
harus dipilih sesuai dengan jenis sistem, lokasi situs, dan aplikasi Anda.
Komponen utama untuk sistem PV surya adalah pengontrol pengisian daya
surya, inverter, bank baterai, sumber energi tambahan dan beban (peralatan).
1. Modul PV
2. Solar charge controller
3. Inverter
4. Baterai
5. Sumber energi tambahan (additional)
Berikut ini merupakan langkah-langkah dalam melakukan perancangan sistem
Pembangkit Listrik Tenaga Surya
1. Menentukan kebutuhan konsumsi energi beban
a. Menghitung total Watt-hours per hari untuk pada setiap beban
pemakaian.
b. Menghitung total Watt-hours per hari yang dibutuhkan dari PLTS.
(Total pada poin (a) dikali dengan angka 1.3)
2. Mendesain kapasistas PLTS
a. Menghitung total Watt-peak rating yang dibutuhkan untuk Modul PV
(Total pada poin 1.a dibagi dengan angka 3.43)
Praktikum Elektronika Daya dan Aplikasinya untuk Pembangkit Energi Terbarukan 57
b. Menghitung jumlah Modul PV yang dibutuhkan dalam satu sistem
tersebut
(Total pada poin 2.a dengan rating keluaran Watt-peak yang
tersedia, lalu melakukan pembulatan keatas, maka itu merupakan
jumlah PV yang dibutuhkan)
3. Mendesain Kapasistas Inverter
(Kapasistas Innverter harus 25-35% lebih besar dari total daya yang
dibutuhkan beban untuk beban motor atau kompresor maka minimal 3x
lebih besar)
4. Mendesain Kapasistas Baterai
Kapasitas Baterai (Ah) = (Total Watt hours per hari beban)
(0.85 x 0.6 x Tegangan nominal Baterai) 𝑥 𝐷𝑜𝐴
Dimana DoA merupakan singkatan dari Days of Autonomy yang
merupakan jumlah hari yang diinginkan pada sistem untuk bekerja
meskipun tidak ada daya yang dihasilkan oleh modul PV.
5. Mendesain Kapasistas Solar Charge Controller Sizing
Solar Charge Controlling Rating = (Total Arus Short Circuit pada Array PV) x 1.3
*Catatan: Untuk Mendesain Kapasistas pada MPPT Charge Controller
akan berbeda.