BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Energi Angin
Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga
karena adanya perbedaan tekanan udara sekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Apabila dipanaskan, udara
memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, tekanan udara turun karena udaranya berkurang. Udara dingin disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dikarenakan konveksi. Tenaga angin menunjuk kepada pengumpulan energi yang berguna dari angin. Pada tahun 2005, kapasitas energi generator tenaga angin adalah 58,982 MW, hasil tersebut kurang dari 1% pengguna listrik dunia. Meskipun masih berupa sumber energi listrik minor dikebanyakan negara, penghasil tenaga angin lebih dari empat kali lipat antara 1999 dan 2005. Kebanyakan tenaga angin modern dihasilkan dalam bentuk listrik dengan mengubah rotasi dari pisau turbin menjadi arus listrik dengan menggunakan generator listrik. Pada kincir angin energi angin digunakan untuk memutar peralatan mekanik untuk melakukan kerja fisik, seperti menggiling atau memompa air. Tenaga angin banyak jumlahnya, tidak habis-habis, tersebar luas dan bersih 2.1.1 Asal Energi Angin Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil, kecuali energi pasang surut dan panas bumi barasal dari matahari.
4
5
Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 Kilowatt jam energi ke bumi setiap jam. Dengan
kata lain, bumi ini menerima daya 1,74 x 1.017 watt. Sekitar 1-2% dari energi
tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka bumi.
Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan
temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari
matahari dibanding daerah lainnya di bumi.
Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan. Jika bumi tidak berotasi pada sumbunya, maka udara akan tiba di kutub utara dan kutub selatan, turun kepermukaan lalu kembali ke khatulistiwa. Udara yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya menghasilkan listrik. Tabel 2.1 kondisi angin
Tabel kondisi angin Kelas angin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Kecepatan angin m/d 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.8 20.9-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 >32.6
Kecepatan angin km/jam 1-5.4 5.5-11.9 12.0-19.5 19.6-28.5 28.6-38.5 38.6-49.7 49.861.5 61.6-74.5 74.6-87.9 88.0-102.3 102.4117.0 >118
Kecepatan angin knot/jam 0.58-2.92 3.11-6.42 6.61-10.5 10.7-15.4 15.6-20.8 21-26.8 27-33.3 33.5-40.3 40.5-47.5 47.7-55.3 55.4-63.4 63.4
Sumber : http://www.kincirangin.info/pdf/kondisi-angin.pdf
6
2.2 Definisi Turbin Angin
Turbin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga
listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuahn para petani dalam melakukan pengggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak digunakan di Denmark, Belanda, dan Negara-negara
Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan windmill.
Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun
sampai saat ini penggunaaan turbin angin masih belum dapat menyaingi
pembangkit listrik konvensional (Contoh : PLTD, PLTU, dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh: batu bara dan minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk pembangkitan listrik. Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibelakang bagian turbin angin, sehinggan akan menghasilkan enrgi listrik. Energi listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. 2.2.1 Jenis Turbin Angin 2.2.1.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang di gabungkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena
7
sebuah menara menghasilkan turbulensi dibelakangnya, turbin biasanya diarahkan
melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak
terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah ini diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu
penting, sebagian besar turbin angin sumbu horizontal merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind
(menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan
agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus
sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resistansi angin dari bilah-bilah itu.
Gambar 2.1 Turbin angin sumbu horizontal
Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH): 1. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%. Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH):
8
1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga
memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
2. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi
dan mahal serta para operator yang tampil.
3. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat,gearbox, dan generator. 4. TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport. 5. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu
penampilan landskip.
6. Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi. 2.2.1.2 Turbin angin sumbu vertikal Turbin angin sumbu vertikal/tegak atau (TSAV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan barbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara
9
turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi
angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal. Gambar 2.2 Varian turbin angin sumbu vertikal
Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV): a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. b. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah. c. TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi. d. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH. e. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10 km/jam (6 m.p.h) f. TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus saat kencang. g. TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun. h. TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit). i. TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
10
Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV): a. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena
drag tambahan yang dimiliki saat kincir berputar. b. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi
untuk mulai berputar.
c. Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk penyangganya memberi tekanan
pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat bertiup. angin
2.2.2 Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)
Sistem konversi energi angin merupakan suatu sistem yang bertujuan untuk mengubah energi potensial angin menjadi energi mekanik poros oleh rotor untuk kemudian diubah lagi oleh alternator menjadi energi listrik. Prinsip utamanya adalah mengubah energi listrik yang dimiliki angin menjadi energi kinetik poros. Besarnya energi yang dapat ditransferkan ke rotor tergatung pada massa jenis udara, luas area dan kecepatan angin.
Hal ini selanjutnya akan
dibahas melalui persamaan-persamaan. Energi kinetik untuk suatu massa angin m yang bergerak dengan kecepatan v yang nantinya akan diubah menjadi energi poros dapat dirumuskan sebagai berikut: ............................................................................................ (2.1) Dimana: E : energi poros m: massa udara yang bergerak (kg) v: kecepatan angin (m/s) Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin angin dengan kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut dengan aliran volume V sebagai persamaan: V= v A ....................................................................................................(2.2)
(Eric Hau, Wind Turbines Fundamental 2005 : 81)
11
Dimana:
V : laju volume (m³/s)
v: kecepatan angin (m/s) A : luas area sapuan rotor (m²)
Sedangkan aliran massa dengan kecepatan udara p sebagai:
m = ρ A ν ...........................................................................................................(2.3) (Eric Hau, Wind Turbines Fundamental 2005 : 81) Persamaan-persamaan diatas menunjukkan energi kinetik dan aliran massa melewati suatu penampung melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan yang
dengan mensubstitusi persamaan (2.3) ke persamaan (2.1) menjadi:
P = ½ ρ A ν³ ......................................................................................................(2.4) (Eric Hau, Wind Turbines Fundamental 2005 : 82)
Dimana: P : daya mekanik (W) v : kecepatan angin (m/s) p : densitas udara (p rata-rata : 1,2 kg/m³) A : luas sapuan turbin Karena setiap jenis turbin angin mempunyai karakteristik aerodinamika yang unik, maka faktor daya sebagai fungsi dari TSR untuk setiap jenis turbin angin juga berbeda-beda. Dengan memasukan faktor daya Cp, sebagaimana dijelaskan sebelumnya, gaya mekanik aktual yang dapat diperoleh dari energi kinetik pada angin menjadi: P = Cpr ½ ρ A ν³ .............................................................................................(2.5) (Eric Hau, Wind Turbines Fundamental 2005 : 82) Parameter utama yang mempengaruhi Cp adalah: jumlah bilah sudu, panjang chord bilah sudu, karakteristik aerodimamis bilah sudu, NREL menambahkan kemampuan sebuah SKEA juga dibatasi oleh rugi-rugi pada generator pada sistem transmisi.
12
2.2.3 Pemilihan Sistem Transmisi Daya
Ketika putaran rotor dan daya motor sudah ditentukan, maka generator
yang digunakan dipilih. Generator yang tersedia dipasaran memiliki karakteristik yang berbeda satu sama lain. Setiap generator memiliki kondisi kerja masingmasing.
Untuk meneruskan daya yang dihasilkan rotor ke generator, perlu sistem transmisi yang konfigurasinya disesuaikan dengan kebutuhan daya yang ditransmisikan, putaran, dan konfigurasi turbin angin. Sistem transmisi daya dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok menurut rasio putaran masukkan dan
keluarannya yaitu: 1. Direct drive
2. Speed reducing 3. Speed increasing Direct drive yang dimaksud adalah transmisi daya langsung dengan menggunakan poros dan pasangan kopling. Yang penting dalam sistem transmisi direct drive adalah tidak ada penurunan atau peningkatan putaran. Sistem transmisi speed reducing adalah sistem transmisi daya dengan penurunan putaran, putaran keluar lebih rendah daripada putaran masuk. Sistem transmisi ini digunakan untuk menggunakan momen gaya. Yang terakhir adalah sistem transmisi speed increasing, yaitu putaran keluar lebih tinggi dari putaran masuk, terjadi kenaikan putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi lebih kecil. Pada penerapannya, sistem transmisi direct drive hanya menggunakan poros dan kopling jika diperlukan. Kontruksi direct drive lebih sederhana dibandingkan yang lainnya dan tidak memerlukan banyak ruang. Sedangkan untuk penerapan sistem transmisi speed reducing dan speed inreasing diperlukan mekanisme pengubah putaran seperti pasangan roda gigi, atau sabuk dan puli. Turbin angin yang putaran rotornya berada dalam selang putaran kerja generator, maka transmisi daya yang digunakan adalah direct drive, rotor menggerakan generator secara langsung. Sedangkan transmisi speed increasing karena pada umumnya putaran putaran yang diperlukan generator lebih tinggi daripada rotor.
13
2.2.4 Komponen-komponen Turbin Angin
1. Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah
kipas. Angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.
2.
Brake (Rem): Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis
dengan bantuan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau
saat keadaan darurat.
3.
Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini men-start turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan kemudian mematikannya
pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam.
Hal ini dikarenakan tiupan angin
yang terlalu kencang dapat
merusakkannya. 4. Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi sekitar 1000-1800 rpm. Ini merupakan tingkat putaran standar yang disyaratkan untuk memutar generator listrik. 5. Generator: Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang disebut alternator arus bolak-balik. 6.
High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Berfungsi untuk menggerakkan generator.
7. Low-speed shaft (Poros Putaran Rendah): Poros turbin yang berputar kirakira 30-60 rpm. 8.
Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di dalamnya berisi gearbox, poros putaran tinggi / rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.
9. Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas dapat diatur sudutnya sesuai dengan kecepatan rotor yang dikehendaki. Tergantung kondisi angin yang terlalu rendah atau terlalu kencang. 10. Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor. 11. Tower (Menara): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, ataupun rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan seiring dengan bertambahnya ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga angin yang didapat.
14
12. Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan
penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin. 13. Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah
angin untuk desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin
yang mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.
2.3 Generator
Generator adalah suatu alat yang dapat mengubah tenaga mekanik menjadi
energi listrik. Tenaga mekanik bisa berasal dari panas, air, uap, dll. Energi listrik
yang dihasilkan oleh generator bisa berupa Listrik AC (listrik bolak-balik) maupun DC (listrik searah). Hal tersebut tegantung dari konstruksi generator yang dipakai oleh pembangkit tenaga listrik. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak.
Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu: a. Generator arus bolak-balik 1 fasa b. Generator arus bolak-balik 3 fasa
Gambar 2.3 Generator arus bolak-balik 3 fasa
15
2.3.1 Prinsip Kerja Generator
Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday
yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik.
Besar tegangan generator bergantung pada : 1. Kecepatan putaran (N) 2. Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluk (Z) 3. Banyaknya fluk magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f)
3. Konstruksi Generator
Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu: 1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan bolakbalik 2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator. Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator.
2.4 Penyearah (Rectifier) Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolakbalik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Gelombang AC yang berbentuk gelombang sinus hanya dapat dilihat dengan alat ukur CRO. Rangkaian rectifier banyak menggunakan transformator step down yang digunakan untuk menurunkan tegangan sesuai dengan perbandingan transformator
yang
digunakan. Penyearah dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT), dan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dioda bridge.
16
2.4.1 Penyearah 3 Fasa Gelombang penuh Tidak terkendali
Prinsip Kerja Penyearah 3 Fasa Gelombang penuh Tidak terkendali
Diagram rangkaian dari sebuah penyearah 3 fasa gelombang penuh tidak
terkendali diperlihatkan pada gambar 2.4 (a). sementara gambar 2.4 (b) adalah
bentuk gelombang 3 fasa masukan dan gelombang tegangan dan arus searah pada
sisi keluaran. Ke enam dioda akan konduksi dengan urutan konduksi tertentu,
misalnya D1D2, D2D3, D3D4, D4D5, D5D6, D6D1. Dalam satu siklus setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° dan setiap dioda akan konduksi selama 120° dalam satu siklus periode tegangan 3 fasa masukan. Tiap pasangan dioda
juga akan tersambung dengan tegangan sesaat yang lebih tinggi (tegangan line to
line). Oleh karena terjadi 6 kali komutasi dalam 1 siklus, maka penyearah ini juga disebut dengan konverter 6 pulsa.
Gambar 2.4 Penyearah 3 Fasa Sistem Jembatan
Keterangan : (a). Rangkaian Daya dengan beban Resistor (b). Bentuk Gelombangan Tegangan Masukan dan Keluaran
17
2.5 DC Chopper 2.5.1 Buck Konverter
Konverter jenis buck merupakan jenis konverter yang banyak digunakan
dalam industri catu-daya. Konverter ini akan mengkonversikan tegangan dc masukan menjadi tegangan dc lain yang lebih rendah (konverter penurun tegangan).
Rangkaian ini terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET) dan satu saklar pasif (diode). Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif sering diganti dengan
saklar aktif sehingga susut daya yang terjadi bisa dikurangi. Kedua saklar ini bekerja bergantian. Setiap saat hanya ada satu saklar yang menutup. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar aktif terhadap periode penyaklarannya (faktor kerja). Nilai faktor kerja bisa diubah dari nol sampai satu. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan keluaran selalu lebih rendah dibanding tegangan masukannya.
Gambar 2.5 Rangkaian buck chopper
Keterangan : VL = Tegangan pada Induktor Vd = Tegangan sumber Vo = Tegangan keluaran
18
Gambar 2.6 Rangkaian buck chopper ketika transistor on
Ketika transistor on maka VL =Vd – Vo ..........................................................2.6
Gambar 2.7 Rangkaian buck chopper ketika transistor off
Ketika transistor off maka VL = - Vo ................................................................2.7 Ts = ton + toff (Vd – Vo)ton = Vo (Ts -ton) Vd ton – Vo ton = Vo Ts –Vo ton VoTs = Vd ton
19
Vo = D Vd ...........................................................................................................2.8
Keterangan :
D = Duty Cycle
Ts = waktu satu periode
t on = waktu ketika transistor on t off = waktu ketika transistor off
Cara menentukan nilai induktor (Lmin) Lmin
(Vd Vo ) D ................................................................................................2.9 f Vr
Keterangan :
Lmin = Induktor minimal D = Duty cycle Vd = Tegangan masukan Vo = Tegangan keluaran f = Frekuensi Vr = Tegangan ripple
Menentukan nilai kapasitor (C) Cmin =
...............................................................................................2.10
Keterangan : D = Duty cycle Cmin = Kapasitor minimal Vo = Tegangan keluaran Vr = Tegangan ripple L = Induktor f = Frekuensi Vr = Vo x ripple ..............................................................................................2.11 Perlu dicatat bahwa arus masukan buck konverter selalu bersifat tidak kontinyu dan mengandung riak yang sangat besar. Akibatnya pada sisi masukan, buck konverter memerlukan tapis kapasitor yang cukup besar untuk mencegah terjadinya gangguan interferensi pada rangkaian di sekitarnya. Konverter dc-dc
20
jenis buck biasanya dioperasikan dengan rasio antara tegangan masukan terhadap
keluarannya tidak lebih dari 10. Jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih
tinggi, saklar akan bekerja terlalu keras sehingga keandalan dan efisiensinya turun. Untuk rasio yang sangat tinggi, lebih baik kalau kita memilih versi yang dilengkapi trafo.
2.5.2. Boost konverter
Topologi boost bisa menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding
tegangan masukannya (penaik tegangan). Skema konverter ini diperlihatkan di Gambar 2.8, Jika saklar MOSFET ditutup maka arus di induktor akan naik (energi
tersimpan di induktor naik). Saat saklar dibuka maka arus induktor akan mengalir menuju beban melewati dioda (energi tersimpan di induktor turun). Rasio antara tegangan keluaran terhadap tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Ciri khas utama konverter ini adalah bisa menghasilkan arus masukan yang kontinyu. Pada saat ini, topologi boost banyak dipakai dalam penyearah yang mempunyai faktor-daya satu seperti terlihat di Gb.2.8 Pada rangkaian ini, saklar dikendalikan sedemikian rupa sehingga gelombang arus induktor mempunyai bentuk seperti bentuk gelombang sinusoidal yang disearahkan. Dengan cara ini, arus masukan penyearah akan mempunyai bentuk mendekati sinusoidal dengan faktor-daya sama dengan satu. Pengendali konverter semacam ini sekarang tersedia banyak di pasaran dalam bentuk chip.
Gambar 2.8 Rangkaian boost chopper
Keterangan : VL = Tegangan pada Induktor
21
Vd = Tegangan sumber
Vo = Tegangan keluaran
Gambar 2.9 Rangkaian boost chopper ketika transistor on
Ketika transistor on maka VL = Vd ..............................................................(2.12) Pada gambar 2.10 dan 2.11 memperlihatkan boost chopper menggunakan MOSFET. Pada saat saklar ON arus mengalir melalui induktor dan kembali ke sumber negatif (pada saat ini energi pada induktor naik). Pada saat saklar OFF maka aus induktor akan mengalir menuju beban melewati dioda dan pada saat yang bersamaan energi yang tersimpan pada induktor akan dilepaskan, sehingga tegangan keluaran Vo adalah: Vo = Vd + L
...............................................................................................(2.13)
Pada saat saklar ON energi yang tersimpan pada induktor adalah : Wi = Vd .Il .ton
22
Gambar 2.10 Rangkaian boost chopper ketika transistor off
Ketika transistor off maka : VL = Vd –Vo Vd ton + (Vd - Vo)t off = 0 Vo t off = Vd ton + Vd toff Vo toff = Vd Ts
Vo =
........................................................................................................(2.14)
Jika losses diabaikan : Pd = Po Vd Id = Vo Io
Jika
=D
(1 - D) Keterangan : D = Duty Cycle Ts = waktu satu periode t on = waktu ketika transistor on t off = waktu ketika transistor off Selama perioda OFF induktor akan melepaskan energinya secara linear dari I1 ke I1, oleh karena itu, apabila Ton = D.T dan Toff = (1-D)T maka
23
Vo =
Menentukan nilai indukor (L) Lmin =
.............................................................................................2.15
Keterangan :
D = Duty cycle R = Resistor f = frekuensi
dimana:
R=
I= Keterangan : R = Resistor P = Daya I = Arus V = Tegangan
Besarnya kapasitor yang dapat dihitung Cmin =
...................................................................................................2.16
Vr = Vo x ripple D = Duty cycle Cmin = Kapasitor minimal Vo = Tegangan keluaran Vr = Tegangan ripple R= Resistor f = Frekuensi 2.6 Baterai Media penyimpanan energi listrik yang dimaksud di sini adalah Accumulator / Akumulator yang sering di singkat Aki. Menyatakan bahwa akumulator atau aki
24
adalah salah satu elemen sumber arus listrik searah. Akumulator termasuk elemen
elektrokimia yang dapat diperbaharui bahan pereaksinya setelah dialiri arus dari
sumber lain yang arahnya berlawanan dengan arus yang dihasilkan elemen tersebut. Yang dimaksud dengan elemen elektrokimia adalah sistem sumber arus yang pada dasarnya mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Di dalam
sumber ini terjadi reaksi oksidasi reduksi sehingga menimbulkan elektron bebas yang dapat terus menerus mengalir selama jangka waktu tertentu jika kutub-kutub sumber ini berada dalam keadaan tertutup.
Pada akumulator, digunakan larutan H2SO4 sebagai elektrolit. Sebagai
elektroda positif digunakan PbO2 dan elektroda negatif digunakan Pb.
Akumulator dikatakan habis atau tidak menjadi sumber arus lagi jika elektrodaelektrodanya berubah menjadi PbSO4. Proses saat akumulator berfungsi sebagai arus dikatakan pengsongan akumulator.
Pengosongan
Pengisian
Gambar 2.11 Prinsip pengosongan dan pengisian akumulator
Sigalingging (1994:38) menyatakan bahwa ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dari peralatn baterai ini, diantaranya : a. Kapasitas Suatu kapasitas suatu baterai adalah Ampere Hour (Ah). Biasanya informasi ini terdapat pada label suatu baterai, misalnya suatu baterai dengan kapasitas 100 Ah akan penuh terisi dengan arus 1 A selama seratus (100) jam. Waktu pengisian ini ditandai dengan kode K 100 atau C 100, pada temperatur 25°C. Umumnya arus pengisian yang diijinkan maksimum 1/10 dari kapasitas. Oleh karena itu waktu pengisian yang baik
25
tidak kurang dari 10 jam dan dalam kenyataannya dengan waktu tersebut
pengisian baru mencapai 80%. Dan standar tegangan pengisi baterai (charger) yang digunakan untuk mengisi baterai 12V adalah 12.5 V (min)-
14 V DC (maks).
b. Kepadatan energi
Pada pemakaian tertentu (model pesawat, mobil surya, dan sebagainya)
kepadatan energi sangat penting. Nilainya terletak antara 30Wh/Kg untuk
C/10 dan temperatur 20°C. c. Penerimaan arus pengisian yang kecil
Baterai harus dapat diisi dengan arus pengisian yang agak kecil pada cuaca yang jelek sekalipun, sehingga tidak ada energi surya yang terbuang begitu saja.
d. Efisiensi Ah Baterai menyimpan dengan jumlah Ampere Jam, dengan suatu efisien Ah dibawah 100% (biasanya 90%). Efisiensi ini disebut juga dengan istilah efisiensi Coulumbseher . e. Efisiensi Wh (Wh) Efisiensi Wh adalah perbandingan energi yang ada dan dapat dikeluarkan. Wh selalu lebih rendah dengan Ah dan biasanya ±80%. Hal-hal yang perlu mendapat perhatian dalam memilih baterai adalah : 1. Tegangan yang dipersyaratkan 2. Jadwal waktu pengoperasian 3. Suhu pengoperasian 4. Arus yang dipersyaratkan 5. Kapasitas (Ah) 6. Ukuran, bobot, umur.
26
27
1) Inverter dengan tegangan dan frekuensi keluaran yang konstan
CVCF (Constant voltage Constant Frequensy). Inverter ini di
gunakan untuk beban atau peralatan listrik yang memerlukan frekuensi dan tegangan yang tetap.
2) Inverter dengan frekuensi dan tegangan yang berubah-ubah.
Umumnya digunakan pada pemakaian khusus seperti pemakaian
pada pompa listrik 3 fasa dengan menggunakan sumber tegangan
DC. Kerugian cara ini adalah bahwa sistem hanya dapat
digunakan
keuntungannya adalah kemampuannya untuk menggerakan sistem
pada
pemakaian
khusus
saja,
sedangkan
(beban) dengan sumber berubah-ubah seperti misalnya panel
surya. Untuk pemakaian dengan daya rendah, inverter dengan tegangan keluaran berbentuk gelombang kotak masih diperkenankan. Namun untuk pemakaian beban dengan daya besar diperlukan suatu inverter dengan tegangan keluaran berbentuk sinusoidal. Bila tegangan sinusoidal diperoleh dari gelombang tegangan segi empat maka kandungan harmonisanya besar sehingga harmonisa tersebut harus direduksi. Harmonisa dapat diatasi dengan teknik-teknik modulasi lebar pulsa atau dengan menggunakan rangakaian tertentu dan memasang filter pada keluaran inverter. 2.7.1 Topologi Rangkaian Inverter Satu Fasa Rangkaian inverter satu fasa dapat diklasifikasikan menjadi tiga macam rangkaian, yaitu:
Push-Pull Inverter
Half Brige Inverter
Full Bridge Inverter
2.7.1.1 Full Bridge Inverter Rangkaian full bridge inverter (jembatan penuh) di tunjukan pada gambar 2.14, MOSFET 1-4 dan MOSFET 2–3 dipacu agar bekerja bergantian . Ketika
28
arah arus positif yang mengalir pada beban adalah kekanan dan arah arus negatif
untuk arah arus ke kiri. Pada waktu 0< t, T/3 MOSFET 1-4 ON dan MOSFET 2-3
OFF, arus akan mengalir melalui MOSFET 1 lalu ke beban dan mengalir melalui MOSFET 4 dan akhirnya ke ground. Sehingga terbentuk pulsa positif pada beban sebesar V seperti terlihat pada gambar 2.8 pada waktu T/2 < t < T MOSFET 2-3
ON dan MOSFET 1 - 4 OFF, arus akan mengalir melalui MOSFET 2 lalu ke beban dan mengalir melalui MOSFET 3 dan akhirnya ke ground. Sehingga terbentuk pulsa positif pada beban sebesar – V
Gambar 2.14 rangkaian daya full bridge inverter
Gambar 2.15 Pemberian pulsa gate dan tegangan keluaran full bridge inverter
29
2.7.1.2 Pengendalian Tegangan Inverter
Dalam beberapa pemakaian di industri sering dikehendaki untuk
mengendalikan tegangan keluaran Inverter. Terdapat beberapa teknik untuk
mengendalikan teganagan keluaran inverter dan yang paling efisien adalah dengan cara modulasi lebar pulsa. Teknik yang umum di gunakan antara lain adalah :
Modulasi lebar pulsa tunggal
Modulasi lebar pulsa banyak
Modulasi lebar pulsa sinusoidal
2.7.1.2.1 Modulasi Lebar Pulsa Sinusoidal Disamping mempertahankan lebar pulsa sebagaimana modulasi lebar pulsa banyak, lebar tiap-tiap pulsa divariasikan sebanding dengan amplitudo gelombang sinus yang dievaluasi pada titik tengah pulsa yang sama. Faktor distorsi dan orde rendah dari harmonisa direduksi cukup berarti. Gambar 2.15 menunjukan pembangkitan sinyal gate yang membandingkan sinyal sinusoidal referensi dengan gelombang pembawa segitiga pada frekuensi fc. Tipe modulasi ini umumnya di gunakan di industri-industri dan umumnya di sebut SPWM. Frekuensi sinyal referensi fr menentukan frekuensi tegangan keluaran fo dan amplitudonya akan mengendalikan indeks modulasi M dengan efektif tegangan keluaran Vo. Jumlah pulsa tiap setengah siklus tergantung pada frekuensi pembawa.
Gambar 2.16 Modulasi lebar pulsa sinusoidal
30
2.8 Transformator (trafo)
Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen
pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan
kedua (sekunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi
untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.
Prinsip Kerja Transformator
Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan
primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).
=
=
.....................................................................................2.17
Keterangan : Vp = tegangan primer (volt) Vs = tegangan sekunder (volt) Np = jumlah lilitan primer Ns = jumlah lilitan sekunder Is = arus sekuander (Ampere) Ip = arus primer (Ampere) Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan sekunder transformator ada dua jenis yaitu: 1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah
31
lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns
2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan
bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah
lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns).
> Np).
2.9 Power Simulator (PSIM 9.03)
PSIM adalah perangkat lunak simulasi yang khusus dirancang untuk
elektronika dan kontrol motor. PSIM menyediakan fungsi subcircuit yang
memungkinkan bagian dari sirkuit untuk diwakili oleh sebuah blok subcircuit.
Dengan simulasi cepat dan antarmuka user friendly, PSIM menyediakan lingkungan simulasi yang kuat untuk elektronika daya, kontrol analog dan digital, kemagnitan, drive motor, dan studi sistem dinamis.
