AC-AC Cycloconverter Tiga Fasa

2.1

Cycloconverter Tiga Fasa

[6]

Cycloconverter adalah pengontrol tegangan AC yang menghasilkan besar tegangan dan frekuensi variabel , jadi Cycloconverter  bisa secara seca ra langsung l angsung mengubah tegangan sumber AC dari frekuensi 50 Hz menjadi frekuensi frekuensi yang lebih rendah, biasanya digunakan untuk mengatur kecepatan motor sehingga motor dapat berjalan lebih lambat dengan tenaga yang besar . Pada dasarnya rangkaian Cycloconverter  tiga   tiga fasa dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini sumber tegangan tiga fasa

Tegangan tiga fasa dengan frekiensi yang bermacam-macam

Gambar 2.5 Rangkain dasar Cycloconverter  tiga  tiga fasa

Setiap fasa dari Cycloconverter  pada  pada gambar 2.5 terdiri dari dua penyearah positif dan penyearah negatif yang dipasang secara antiparalel . Waktu hidup penyearah positif dengan

penyearah negatif dibuat saling bergantian (tidak (tidak bersamaan hidup) bila bila

 penyearah positif dengan negatif disulut secara bersamaan akan membuat kedua penyerah ini saling terhubung singkat hal ini dikarenakan kedua penyearah ini terhubung secara antiparalel. Frekuensi maksimum pada Cycloconverter   tiga fasa ini dibatasi lebih kecil dari setengah

dari frekuensi tegangan masukannya hal ini dimaksudkan untuk

mengurangi harmonik yang terjadi. Pada frekuensi lebih besar dari setengah frekuensi  jala-jala tegangan Cycloconverter tidak dapat dibentuk menyerupai sinusoidal sehingga frekuensi harmonisanya yang timbul akan lebih be sar .

Rangkaian diatas terdiri dari tiga buah Cycloconverter  tiga fasa ke satu fasa yang memiliki beda fasa 120 derajat satu Cycloconverter   dengan Cycloconverter   yang lainnya. Untuk menjelaskan cara kerja dari Cycloconverter  tiga fasa ke satu fasa ini dapat dimulai dari komponen dasar penyusun

konverter positif dan konverter negatif-

nya yaitu SCR, bila SCR dirangkai seperti gambar 2.6 kemudian SCR tersebut di beri tegangan picu maka akan menghasilkan gambar 2.7

+

VR

IR

-

E1

Gambar 2.6 Rangkaian SCR yang dihubungkan dengan tegangan AC

VE

IR

Vg

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Gambar 2.7 Prilaku SCR bila diberi tegangan pemicu pada gatenya

Sedangkan keterangan prilaku SCR pada gambar 2.7 dapat dilihat pada pada tabel 2.1 , sedangkan penjelasan tentang karakteristik SCR dan cara penyulutannya dapat dilihat pada lampiran 1 . Tabel 2.1 Penjelasan prilaku SCR

 No

Sudut atau Selang waktu

1

Pada 0 sampai Q0

2

Pada Q0

3

Pada Q0 sampai

Penjelasan Prilaku SCR Walaupun katoda dalam keadaan positif tetapi tidak ada arus yang mengalir (hubung buka) hal ini dikarenakan tegangan gatenya tetap nol Arus bisa mengalir dikarenakan tegangan gate maupun anodanya  positif (hubung tutup ) Arus terus mengalir walaupun tegangan gatenya berubah menjadi

180

4 5

6

Pada 180 Pada 180 sampai 360 (Q1)

(0 sampai 360)

nol, pada keadaan ini penyulutan gate tidak mempengaruhi kelakuan SCR (SCR akan selalu terhubung sampai tegangan sumber mencapai nol ) Arus akan berhenti mengalir (SCR dalam kondisi hubung buka). Arus tidak bisa mengalir walaupun diberi tegangan picu pada gatenya (Q1), hal ini dikarenakan anoda-nya menerima tegangan negatif SCR akan dapat disulut kembali pada periode dimana kaki katoda mendapatkan tegangan positif , semakin besar waktu tunda atau sudut  picu dari persimpangan nolnya maka semakin kecil arus yang dialirkan (arus Q2 lebih besar dari pada Q3 karena sudut picu Q2 lebih kecil dari pada Q3)

Bila enam buah SCR disusun sedemikian rupa sehingga seperti gambar 2.8 maka akan membentuk rangkaian yang sering disebut tiga fasa , enam pulsa konverter terprogram (3-phase, 6-pulse controllable converter).

K

Ia tiga fasa

Q1

Q2

Q3

Id

Ib Ed Ic Q4

Q5

Q6  A

Gambar 2.8 Konverter tiga fasa enam SCR

Rangkain pada gambar 2.8 kebanyakan digunakan sebagai rectifier / inverter  yang cara kerjanya dapat dilihat pada gambar 2.9.

K

Ia tiga fasa

Q1

Q2

Q3

Id

Ib Ed Ic Q4

Q5

Q6

 A

Gambar 2.9.a Konverter 3 fasa, enam SCR yang digunakan sebagai rectifier

K

Ia tiga fasa

Q1

Q2

Q3

Id

Ib Ed Ic Q4

Q5

Q6  A

Gambar 2.9.b Konverter 3 fasa, enam SCR yang digunakan sebagai rectifier

Pada gambar 2.9 diatas konverter digunakan sebagai penyearah terkontrol. Pada gambar 2.9.a didapatkan karena SCR Q1 dan Q5 sedang aktif menyalurkan sumber arus sehingga arus mengalir dari fasa a ke fasa b, sedangkan gambar 2.9.b SCR yang aktif adalah Q2 dengan Q4 yang menyebabkan terjadinya aliran arus dari fasa b ke fasa a . Tegangan DC yang dihasilkan pada penyearah ini sangat tergantung dengan tegangan AC tiga fasanya, bila tegangan tiga fasanya menurun maka tegangan DC pun akan menurun . Bila difungsikan sebagai inverter maka resistor yang digunakan sebagai beban digantikan sumber tegangan sehingga menghasilkan Id (arus DC ) yang mengalir bila saklar (SCR) di hidupkan , lihat gambar 2.10 dibawah ini.

K

Ia tiga fasa

Q1

Q2

Q3

Id

Ib Ed Ic Q4

Q5

Q6

 A

Gambar 2.10 Konverter 3 fasa 6 SCR di fungsikan sebagai inverter 0

0

0

Penyulutan SCR dibatasi dari sudut 15   sampai 165 , sudut antara 15   sampai 0

90

adalah daerah operasi dari konverter yang digunakan sebagai penyearah sedangkan

sudut antara 90

0

0

sampai 165   digunakan bila konverter digunakan sebagai inverter .

Daerah dari penyulutan SCR ini dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini sudut 0 derajat

daerah konverter sebagai penyearah

daerah konverter sebagai inverter 

Gambar 2.11 Daerah kerja konverter tiga fasa

Bila converter tersebut disusun secara antiparalel

dan dioperasikan sebagai

 penyerah maka akan didapatkan Cycloconverter   tiga fasa satu fasa, untuk membentuk Cycloconverter   tiga fasa diperlukan tiga buah Cycloconverter   tiga fasa satu fasa dengan  beda fasa sebesar 120 derajat . Rangkaian Cycloconverter   tiga fasa ini dapat dilihat pada gambar 2.12.

Gambar 2.12 Rangkain Cycloconverter  tiga fasa

Setiap konverter positif menghasilkan tegangan +DC dan konverter negatif menghasilkan  – DC yang memiliki siklus kerja saling bergantian, dengan memberikan  penyulutan sedemikin rupa maka akan dihasilkan gambar 2.13 dibawah ini .

Gambar 2.13 Hasil Cycloconverter  tiga fasa pada frekuensi seper-tiga line

3.1

Koreksi Fasa

Koreksi urutan fasa ini dimaksudkan agar tegangan tiga fasa yang diberikan ke Cycloconverter   harus sesuai dengan urutan program penyulutan SCR-nya, Urutan fasa (dengan acuan fasa pertama) pada Cycloconverter   ini adalah sebagai berikut, fasa kedua harus tertinggal

120 derajat

dari fasa pertama

fasanya sebesar 120 derajat dari

dan fasa ketiga harus mendahului

fasa pertama seperti yang ditunjukan gambar 3.2

dibawah ini

Fasa1

Fasa2

Fasa3

Gambar 3.2 Urutan fasa yang sesuai dengan program penyulutannya

Rangkaian koreksi fasa dapat dilihat pada gambar 3.3 dibawah ini Tegangan menuju Cycloconverter dan deteksi persimpangan fasa

Vcc

D Dari Mikrokontroler 

Dflp-flop

clk

   r    a    l    k    a    s    2    y    a    l    e    R

Fasa 1 Fasa 2

Fasa 3

Tegangan dari sumber 

Gambar 3.3 Rangkaian koreksi urutan fasa

Cara kerja rangakaian koreksi fasa ini adalah sebagai berikut, setelah tombol start ditekan maka Mikrokontroler langsung mengambil data dari optocoupler apabila urutan fasa a, fasa b dan fasa c tidak sesuai dengan urutan sepeti gambar 3.3 maka

mikrokontroler memberikan sinyal untuk menukarkan fasa b dengan fasa c. Dengan listing programnya adalah sebagai berikut . autokoreksi: ;=========== clr p3.7 clr p3.6 setb p3.6 acall delay_2s setb p3.7  periksa_urutan: mov r7,p3 cjne r7,#11111000b,periksa_urutan

 periksa_urutan1: ;============ mov r7,p3 cjne r7,#11110110b,periksa_urutan2  jmp fasa_rst  periksa_urutan2: cjne r7,#11011011b,periksa_urutan1

ret fasa_rst: ;======= setb  NOP clr  NOP setb acall acall ret

p3.7 p3.6 p3.6 delay_2s delay_2s

; ; ; ; ;

Beri data ‘0’ pada IC D flip-flop beri Clok (denyut ) pada IC D Flip-flop Tunda selama 2 detk Beri data ‘1’ pada IC D Flip-flop

; Masukan hasil deteksi fasa ke register 7 ; Bandingkan register 7 dengan # F8H kalau tidak sama lompat ke periksa urutan kalau sama lanjutkan

; masukan hasil dari deteksi fasa ke register 7 ; Bandingkan register 7 dengan # FDH kalau tidak sama lompat ke periksa urutan 2 ; kalau sama lompat ke fasa_rst ; Bandingkan apakah register 7 sama dengan #DBH kalu tidak sama lompat ke  periksa _urutan 1 ; kalau sama kembali ke subrutin yang mengambil

; ; ; ; ; ; ; ;

Beri data ‘1’ pada IC D flip-flop tunda 1 mikrodetik hasilkan detak (clok pada IC Dflip-flop)

tunda selama dua detik kembali sub program yang mengundang

Port 3 (p3.0-p3.5) digunakan sebagai

jalur penerima deteksi tiga fasa

dari

optocoupler deteksi tiga fasa. Dengan membandingkan data yang diterima oleh port3 dengan besaran yang mewakili persimpangan jala-jala RS, bila sama maka perintah selanjutnya memeriksa persimpangan selanjutnya bila persimpangan selanjutnya adalah TS maka tukar fasa b dengan fasa c, bila persimpangannya selanjutnya TR maka fasa telah sesuai dan kembali ke subrutin yang memanggil.

3.2

Deteksi Tiga Fasa

Deteksi fasa adalah rangkaian yang digunakan untuk mendekteksi persimpangan tegangan tiga fasa yang dapat dilihat pada gambar 3.4 dibawah ini

fasa 1

deteksi fasa 13

deteksi f asa 23

fasa 2

deteksi fasa 21

deteksi fasa 31

fasa 3

deteksi fasa 32

deteksi fasa 12

Gambar 3.4 Deteksi persimpangan tegangan tiga fasa

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa terdapat enam titik persimpangan yang dihasilkan oleh tegangan tiga fasa . Pendekteksian keenam titik persimpanagn pada Cycloconverter  ini menggunakan sembilan optocoupler dan satu gerbang Nand yang dipasang seperti pada gambar 3.5. fasa a Vcc port 3.0

fasa 1

por 3 .1

Vcc

fasa b fasa 2 Vcc

port 3.2

port 3.3

Vcc

fasa c fasa 3

Vcc

Vcc

port 3.4

port 3.3 ke tanah

ke negatif power suplay

Gambar 3.5 Rangkaian deteksi persimpangan tegangan tiga fasa

Dua optocoupler yang dipasangkan secara tebalik pada dua fasa ini digunakan agar titik persimpangan tiga fasa tepat berada di te ngah deteksi fasanya, sedangkan gerbang Nand digunakan untuk menggabungkan keluaran dari dua optocoupler.

Sedangkan tiga optocoupler digunakan untuk mendekteksi apakah setiap fasanya berada  pada posisi positif atau negatif dilihat dari acuan netralnya. 3.4.2

Rangkaian Penyulut SCR 

Untuk melindungi rangkaian pembangkit pulsa yang digunakan untuk menyulut SCR dengan tegangan jala-jala, maka diperlukan rangkaian isolator dalam rangkaian  penyulut (firing) SCR. Fungsi rangkaian ini adalah

untuk menyulut SCR sekaligus

memisahkan dengan tegangan jala-jala . Salah satu komponen utama dari rangkaian isolator

ini adalah transformator (trafo) OT240 . Trafo ini memiliki perbandingan

lilitannya sebesar 2:1 dan mampu menyulut SCR dengan sangat baik bila frekuensi  penyulutan antara 15Hz sampai 20 Khz. Karena arus yang dikeluarkan oleh komponen  pembangkit pulsa sangat kecil maka diperlukan transistor sebagai penguat arus. Pada Cycloconverter   ini transistor yang digunakan sebagai penguat arus adalah transistor array ULN 2803 yaitu kumpulan dari delapan buah transistor yang berjenis NPN yang dipasang secara bersamaan sehingga membentuk seperti komponen IC dengan jumlah kaki sebanyak 18 buah . Rangkaian penyulut SCR dapat dilihat pada gambar 3.8.

bebas dari Tegangan jala-jala i

masih ada Tegangan jala jala

Vcc D2 SCR

D1 R2

R1 Pulsa penyulut

Salah satu transistor pada ULN 2803

Gambar 3.8 Rangkaian yang digunakan menyulut satu buah SCR

Karena setiap fasa dari Cycloconverter  tidak dapat dihubungkan satu dengan yang lain maka rangakaian Cycloconverter   yang diberi beban motor induksi harus dirangkai seperti gambar 3.9

Gambar 3.9 Cycloconverter  dengan beban motor tiga fasa

Gambar diatas adalah sebagian hasil deteksi fasa dari Cycloconverter tiga fasa,  pada gambar paling atas adalah deteksi fasa a dengan netral sedangakan pada gambar ditengah dan paling bawah pada gambar 4.1 diatas adalah keluaran dari gerbang Nand yang masukannya berasal dari dua optocoupler yang dipasang terbalik yang dipasangkan ke tegangan antara fasa ke fasanya . Untuk lebih jelasnya lihat gambar 4.2 dibawah ini

Batas Tegangan optokopler on Fasa A

Optokoupler anatara fasa a dengan netral

Tegangan Fasa AB

Hidup

Mati

Hidup

Batas Tegangan optokopler1 on

Batas Tegangan optokopler2 on

Tegangan optokopler 1

Tegangan optokopler 2

Tegangan keluaran gerbang Nand

Gambar 4.2 Deteksi fasa dengan menggunakan optocoupler dan gerbang Nand

Mati