Tugas Traksi dan Sistem Transportasi Listrik Teknik Elektro Undip

1. 1
Makalah Mata Kuliah Traksi dan Sistem Transportasi Listrik
KONVERTER SINKRON
PADA TRAM DAN KERETA API
Oktarico Susilatama PP (21060110141053)
oktaricopradana@yahoo.co.id
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro,
Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia
Abstrak – Daya arus bolak-balik pada tegangan tinggi
dapat ditransmisikan lebih murah untuk jarak yang
sangat jauh dan berubah menjadi tegangan rendah untuk
penggunaan industri, tetapi penggunaan daya arus
searah lebih disukai untuk beberapa penggunaan seperti
pada lampu busur pada lentera gambar bergerak, dan
sangat dibutuhkan pada penggunaan lainnya seperti
pada electroplating dan pengisian batere. Untuk alasan
ini seringkali dibutuhkan untuk mengkonversi atau
menyearahkan arus bolak balik kedalam daya arus
searah. Untuk konversi daya dalam jumlah besar
biasanya menggunakan konverter sinkron (biasanya
disebut konverter putar) dan untuk konversi dalam
jumlah kecil dapat menggunakan konverter atau rectifier.
Rectifier dapat berupa busur merkuri, elektrolit, dan tipe
bergetar
Kata kunci :arus kontinu, konverter sinkron,
efisiensi,kereta api
I PENDAHULUAN
Suplai arus kontinu pada system trem
dan kereta api tidak dapat tergantung pusat
gardu daya arus kontinu, pada perhitungan
tegangan transmisi rendah. Lebih lagi, pada
beberapa kasus, site pusat untuk gardu daya
tidak mungkin tersedia. Sehingga, dibutuhkan
system transmisi tegangan tinggi dengan gardu
induk pada daya yang di distribusikan ke
jaringan rendah. Dikarenakan system yang
ekonomis pada umumnya ialah arus bolak
balik tiga fasa, gardu induk harus mengandung
mesin mesin rotasi untuk konversi dari arus
bolak balik ke arus kontinu. Mesin mesin yang
tersedia untuk tujuan ini terdiri dari (1)
konverter putar(2) motor-generator (3)
konverter-motor. Akan tetapi pada bahasan ini
hanya akan dibahas mengenai konverter
sinkron. Konverter sinkron merupakan mesin
tunggal, yang terdiri dari system medan
magnet stationer dan jangkar dengan
komutator dan slip ring; Kumparan jangkar
biasanya dari tipe rangkaian ganda arus
kontinu yang memiliki hubungan dengan slip
ring pada titik yang tepat. Kumparan jangkar
oleh karena itu diposisikan untuk arus bolak
balik dan sisi arus kontinu. Akibatnya, rasio
yang tetap terjadi antara tegangan tersebut dan
jika tegangan pada sisi arus kontinu
divariasikan, variasi harus mengandung
perubahan tegangan pada sisi arus bolak balik
atau perubahan bentuk gelombang distribusi
fluks. Dikarenakan tegangan pada sisi arus
bolak balik lebih rendah dari pada sisi arus
kontinu tersebut; Transformator dibutuhkan
untuk mengoperasikan mesin dari rangkaian
suplai tegangan tinggi.
II. KONVERTER SINKRON
2.1 KONSTRUKSI KONVERTER SINKRON
Daya arus searah selalu diperoleh dari motor-
generator set yang terdiri dari dua mesin yang
berbeda yang secara mekanik terhubung, satu
motor arus bolak-balik, dan generator arus
searah lain, dan berada dibawah kondisi
kombinasi yang digunakan. Tipe dari motor
yang biasanya digunakan ialah motor sinkron,
yang terhubung dengan generator arus searah
compound-wound. Seperti ditunjukan pada
gambar 1

2. 2
Gambar 1 Konverter motor-generator. Motor
pada sisi kanan merupakan motor sinkron yang
beroperasi pada 2300 volt. Generator arus
searah berada disisi kiri yang menghantarkan
daya 275kW pada tegangan 550 V
Tetapi daripada menggunakan dua
mesin yang terkopel, lebih baik
mengkombinasikan dua mesin tersebut
menjadi satu mesin yaitu konverter. Konverter
sinkron (atau putar) merupakan mesin yang
berupa kombinasi dari motor sinkron tipe
jangkar yang berputar dan generator arus
searah. Seperti ditunjukan pada gambar 2. Arus
bolak balik memasuki kumparan jangkar
melalui collector rings yang ditunjukan pada
kanan mesin dan menyebabkan jangkar untuk
tersinkronisasi dengan arus bolak balik.
Sehingga terdapat jangkar putar dengan arus
bolak balik yang bergelombang maju mundur
melewati kumparan. Kumparan jangkar dari
generator arus searah membawa arus bolak
balik dan komutator tersebut terhubung dengan
kumparan sehingga dapat menghantarkan arus
searah pada sikat-sikat. Hanya dibutuhkan tap
pada titik tertentu dari kumparan jangkar motor
sinkron dan menghubungkan tap tersebut pada
bagian yang tepat pada komutator dengan
tujuan untuk menghantarkan arus searah pada
bantalan sikat pada komutator. Komutator
ditunjukan pada bagian kiri dari konverter pada
gambar 2
Gambar 2 Konverter sinkron. Arus bolak balik
dicapai pada ring pengumpul pada sisi kanan
dan arus searah di hantarkan pada bantalan
sikat pada komutator sebelah kiri
Sehingga jangkar yang sama sesuai
dengan ring pengumpul dan komutator,
konverter sinkron pada medan dieksitasi
terpisah dari sumber luar arus searah,
menerima arus bolak balik pada ring dan
menghantarkan arus searah pada komutator.
Mesin ini disebut konverter sinkron dan dapat
dianggap sebagai motor sinkron yang memiliki
jangkar putar yang sesuai dengan komutator
atau sebagai generator arus searah yang
memiliki jangkar yang sesuai dengan ring
pengumpul
2.2 RASIO TEGANGAN BOLAK-BALIK
DENGAN TEGANGAN SEARAH PADA
KONVERTER SINKRON
2.2.1 SATU FASA
Diagram konverter sinkron satu fasa
ditunjukan pada gambar 3. Kutub N dan S
dieksitasi oleh arus searah dari sumber luar.
Daya arus searah dihantarkan pada ring
pengumpul A dan B dari sumber luar. Melalui
ring ini, kawat M dan N menghantarkan arus
bolak balik menuju kumparan jangkar pada
dua tap a dan b, yang berada 180 derajat listrik
terpisah. Pada contoh yang ditunjukan gambar
3, tegangan bolak-balik ( dan arus pada faktor
daya unity) dapat maksimum dan
mempertimbangkan tanda M positif, arus
jangkar dapat menyebabkan jangkar untuk

3. 3
berputar berlawan arah jarum jam. Sehingga
pada kumparan jangkar terdapat tegangan
induksi seperti yang ditunjukan pada
kumparan. Perlu dicatat bahwa arus bolak-
balik tegangan saluran yang melawan melalui
kumparan jangkar harus dilawan melawan
tegangan induksi dan harus menghasilkan efek
motor yang cenderung untuk mengubah
jangkar pada arah searah jarum jam.
Gambar 3 diagram kumparan jangkar dan
hubungan konverter sinkron satu fasa. Pada
contoh ini nilai maksimum tegangan bolak
balik dihantarkan melalui ring menuju jangkar
pada titik tapping a dan b yang
menyebabkannya berputar. Tegangan induksi
ditunjukan oleh panah pada kumparan jangkar
yang dikirimkan menuju sikat B1 dan B2
Perlu dicatat bahwa arus bolak balik
pada contoh ini dapat mengalir langsung dari
kawat M dan N melalui kumparan netral
menuju sikat-sikat arus searah tanpa melalui
jangkar. Alat apapun terpasang pada sikat-sikat
B1 dan B2 akan menerima semua dayanya
langsung dari saluran bolak balik.
Ketika jangkar telah berubah melewati
90°, tegangan induksi antara tap a dan b
menjadi nol (lihat gambar 4). Tetapi
dikarenakan mesin tersinkron dan sefasa
dengan tegangan saluran, tegangan antara ring
AB juga menjadi nol. Sehingga tidak terdapat
arus pada kawat M dan N. Tegangan searah
pada sikat-sikat B1 dan B2 akan kembali sama
seperti sebelumnya.
Gambar 4 Jangkar pada gambar 3 telah
berputar melewati 90°. Tegangan bolak balik
antara titik tapping ialah nol. Tegangan induksi
antara sikat B1 dan B2 ialah sama seperti
gambar 3
Sehingga terdapat tegangan searah
pada sikat-sikat yang sama dengan nilai
maksimum dari tegangan bolak-balik ring.
Tentunya tegangan bolak-balik yang
diterapkan pada ring bernilai efektif, yang
selalu bernilai 0,707 dari nilai maksimumnya.
Oleh karena itu, tegangan bolak-balik pada
ring dari konverter satu fasa berkisar 0,707 dari
tegangan searah pada sikat-sikat. Tegangan
yang di gunakan untuk memaksa arus melawan
resistansi jangkar menyebabkan rasio ini
berubah-ubah dari 0,707 pada beban penuh.
Gambar 5 diagram konverter tiga fasa tiga
ring. Tegangan 3 fasa bolak-balik dibawa
menuju titik tapping abc yang memiliki jarak
yang sama pada jangkar. Tegangan induksi
dihantarkan seperti sebelumnya menuju d-c
sikat B1 dan B2

4. 4
2.2.2 DUA FASA
Pada konverter dua fasa(empat ring),fasa
kedua di tap pada titik tengah antara tap satu
fasa, tegangan pada satu fasa berada
maksimum ketika fasa lain bernilai nol.
Sehingga tegangan pada tiap fasa pada tap dua
fasa ialah sama dengan tegangan pada tap fasa
tunggal. Oleh karena itu, tegangan bolak-balik
pada tiap fasa pada konverter dua fasa juga
0,707 tegangan searah
Gambar 6 untuk menghasilkan antara sikat
B1B2, tegangan searah yang direpresentasikan
dengan panjang ad membutuhkan tegangan
antara ring tiga fasa a-c yang maksimum yang
direpresentasikan dengan ab atau bc atau ac
atau nilai voltmeter ialah 0,707 kali ab atau bc
atau ca
2.2.3 TIGA FASA
Untuk hubungan tegangan pada
konverter tiga fasa, ditunjukan pada gambar 5
dan 6. Tiga timah di tap kedalam kumparan
jangkar pada titik a,b, dan c yang berjarak
sama dan dibawa pada slip ring A,B dan C.
Tegangan bolak-balik pada ring diterapkan
pada jangkar pada tiga titik tersebut dan
menyebabkan jangkar untuk berputar sebagai
motor sinkron.
Gambar 6 menunjukan hubungan tegangan
pada kumparan jangkar pada konverter tiga
fasa pada gambar 5. Panjang garis titik-titik
ab,bc dan ca menunjukan nilai maksimum dari
tegangan bolak-balik yang diterapkan pada
kumparan jangkar. Panjang ad menunjukan
tegangan searah antara sikat-sikat pada
komutator. Jika garis tersebut ditarik sesuai
skala dan jika kumparan jangkar diletakkan
pada lingkaran sempurna, panjang ab,bc, atau
ac akan 0,866 dari panjang ad.
Sehingga nilai maksimum dari tegangan
bolak-balik ialah 0,866 dari tegangan searah.
Tapi pengukuran tegangan bolak-balik efektif
sebelumnya ialah 0,707 dari nilai maksimum.
Sehingga niai efektif dari tegangan bolak-balik
ialah 0,707 dari 0,866 atau 0,612 dari tegangan
searah pada konverter tiga ring tiga fasa.
Tabel 1 Rasio tegangan bolak-balik dengan
tegangan searah
III. PENGONTROLAN TEGANGAN SEARAH
KONVERTER SINKRON
Motor sinkron selalu beroperasi pada
kecepatan yang tetap yang tersinkronisasi
dengan alternator arus. Sehingga,
memvariasikan kuat medan tidak akan
mempengaruhi kecepatan tapi akan
mempengaruhi faktor daya arus bolak-balik
yang diambil motor. Sama halnya, tegangan
searah selalu beberapa kali lebih besar dari
pada tegangan bolak-balik. Kuat medan pada
konverter sinkron tidak mempengaruhi
tegangan arus searah. Arus medan yang terlalu
kecil menyebabkan arus bolak-balik untuk
tertinggal dibelakang tegangan dan kuat medan
yang terlalu tinggi menyebabkan arus bolak
balik mendahului tegangan. Sehingga ketika
medan under-excited konverter memiliki faktor
daya lagging dan ketika over-excited konverter
memiliki faktor daya leading.
Oleh karena itu, ketika kita ingin
mengubah tegangan searah, secara tidak
langsung menggunakan metode pengubahan
tegangan bolak-balik , sehingga akan terjadi
perubahan pada tegangan searah. Tegangan
bolak-balik dikendalikan dengan tapping
sekunder transformator sehingga dengan cara
pensaklaran perubahan yang diinginkan dapat
dilakukan pada tegangan bolak balik yang
diterapkan pada ring untuk menghasilkan
perubahan tegangan searah pada sikat-sikat.

5. 5
Gambar 7 diagram vektor konverter sinkron
IV. CHARGING MENGGUNAKAN
KONVERTER
Pada gambar 8 ditunjukan konverter
satu fasa kecil yang digunakan untuk
mengubah arus bolak balik menjadi arus searah
untuk penggunaan dalam busur listrik atau
pengisian batere. Penampakan dari “charging
set” menggunakan konverter ditunjukan pada
gambar 9 dan penjelasan diagram pada gambar
10.
Konverter dimulai dengan menggeser
saklar starting tiga kutub ke kanan.
Menghasilkan kompensasi kumparan medan
yang seri dengan jangkar. Sehingga konverter
memulai sebagai motor seri. Ketika kecepatan
mencapai sinkronnya, saklar starting digeser ke
kiri, menghentikan kumparan medan
kompensasi dan konverter bekerja sebagai
motor sinkron. Transformator di tap pada
beberapa titik sehingga tegangan searah dibuat
sebesar 40 volt atau serendah 25 volt, menurut
tap yang di tunjukan pada ring konverter.
Daya dari arus searah dikendalikan
dengan pengaturan rheostat yang terletak seri
dengan batere dan diatur hingga ammeter arus
searah menunjukan perubahan arus yang
sesuai. Konverter juga dilindungi terhadap
beban lebih oleh fuse dan terhadap tegangan
rendah oleh relay yang membuka saluran bolak
balik dan arus searah, pada kasus daya bolak
balik mati. Hal ini untuk mencegah batere dari
pengiriman arus kembali melewati konverter
dan meluahkan(discharge) batere. Jika
dilengkapi dengan katrol, konverter akan
bekerja sebagai motor pada 1,5 sampai 2 hp.
Dengan pengaturan yang tepat arus searah
yang diambil oleh kumparan medan, konverter
akan beroperasi pada faktor daya unity
Gambar 8. Konverter satu fasa Wagner untuk
mengubah arus bolak-balik (masuk di kiri)
menuju arus searah (dihantarkan dikanan);
dapat sebagai motor daya
Gambar 9 Konverter set satu fasa Wagner
untuk pengisisan batere yang digunakan untuk
penyalaan(ignition), penerangan dan starting
kendaraan
Gambar 10 diagram untuk konverter satu fasa
Wagner untuk pengisian batere kecil,
ditunjukan juga pada gambar 9

6. 6
V. KONVERTER SINKRON PADA KERETA
API DAN TRAM
konverter putar merupakan mesin tunggal,
yang terdiri dari system medan magnet
stationer dan jangkar dengan komutator dan
slip ring; Kumparan jangkar biasanya dari tipe
rangkaian ganda arus kontinu yang memiliki
hubungan dengan slip ring pada titik yang
tepat. Kumparan jangkar oleh karena itu
diposisikan untuk arus bolak balik dan sisi arus
kontinu. Akibatnya, rasio yang tetap terjadi
antara tegangan tersebut dan jika tegangan
pada sisi arus kontinu divariasikan, variasi
harus mengandung perubahan tegangan pada
sisi arus bolak balik atau perubahan bentuk
gelombang dari distribusi fluks. Dikarenakan
tegangan pada sisi arus bolak balik lebih
rendah dari pada sisi arus kontinu tersebut;
Transformator dibutuhkan untuk
mengoperasikan mesin dari rangkaian suplai
tegangan tinggi.
Ketika disuplai dengan arus bolak
balik, konverter sinkron pada dasarnya
merupakan mesin sinkron dan memiliki
karakteristik dan fitur operasi pada mesin
sinkron, contohnya mesin dapat dikenakan
pada surja atau “hunt” dengan variasi pada
frekuensi masukan dan keluar dari step dengan
beban berlebih atau hubung singkat pada
system masukan. Fenomena ini umumnya di
temani dengan sparking dan flash over pada
sisi arus kontinu dan operasi mesin pada
rangkaian frekuensi tinggi (misalnya 50 siklus
dan 60 siklus).
Pada beberapa kasus, pemilihan mesin
konversi akan dipengaruhi oleh frekuensi
masukan dan tegangan arus kontinu. Dengan
pembangkit listrik modern generator turbo
besar digunakan, operasi konverter sinkron
sangat sesuai untuk tegangan arus kontinu
sampai dengan 1500 volt ketika frekuensi
masukan 25hz dan untuk tegangan sampai
dengan 750 volt ketika frekuensi masukannya
50 atau 60. Ketika tegangan yang lebih tinggi
dibutuhkan dua konverter sinkron dihubungkan
seri.
Membatasi perhatian kita pada
tegangan arus kontinu antara 500 dan 750 volt,
mesin diatas dapat dipertimbangkan pada
operasi normal. Oleh karena itu pemilihan dari
pembangkit akan dipengaruhi (1) efisiensi;
ruang yang dibutuhkan ; (3) harga
Tabel 2 nilai efisiensi konverter sinkron pada
kereta api
Rasio Tegangan dapat ditunjukan
ketika konverter sinkron sedang bekerja tanpa
beban dengan distribusi fluks sinusoidal dan
EMF masukan sinusoidal.Rasio dari tegangan
(Es) antara slip ring yang berdekatan ke
tegangan (E) pada kommutator diberikan sbb :
Dimana m ialah jumlah dari fasa kumparan
jangkar dibagi dengan tapping ke slip ring
Umumnya konverter sinkron
digunakan untuk tiga atau enam fasa (misalnya
bagian dari kumparan jangkar yang sesuai
dengan tiap pasang dari kutub dibagi kedalam
tiga atau enam bagian dengan tapping sama
besar) rasio tegangan teoritis ialah
Rasio teoritis dari arus saluran dari faktor daya
unity dan tidak ada rugi rugi, diberikan sebagai
berikut:

7. 7
Dimana Ia, Ic, menunjukan arus saluran pada
arus bolak balik dan sisi arus kontinu masing
masing dan m menunjukan jumlah dari fasa.
Untuk mesin tiga fasa dan enam fasa
rasio arus teoritis ialah:
Rasio tegangan untuk enam fasa yang merujuk
pada tegangan antara tapping yang berdekatan
pada jangkar yang terpisah 60 derajat listrik
Rasio tegangan untuk tapping terpisah
180 derajat listrik akan sama untuk konverter
sinkron fasa tunggal
Sedangkan rasio tegangan untuk tapping yang
terpisah 120 derajat listrik akan sama untuk
konverter sinkron tiga fasa
Oleh karena itu rasio tegangan untuk
konverter sinkron enam fasa dapat memiliki
nilai 0,354, 0,707, 0,612, menurut posisi
tapping. Gambar rujukan 11 dan 12
menunjukan fasa fasa dan hubungan kuantitas
antara EMF. Ini nyata bahwa tegangan antara
tapping 1-4, 3-6, 5-2 ialah ekuivalen dengan
sistem tiga satu fasa yang berbeda fasa 120
derajat, sedangkan tegangan antara tapping 1-
3-5, 4-6-2 (gambar 9) ialah setara dengan
sistem dua tiga fasa yang berbeda fasa 180
derajat.
Gambar 11
Gambar 12

8. 8
VI. KESIMPULAN
Berdasarkan materi pada makalah ini, maka
dapat disimpulkan beberapa hal sebagai
berikut:
1. Konverter sinkron pada dasarnya
merupakan generator arus searah
dengan tambahan ring pengumpul, tiap
ring dihubungkan secara listrik pada
batang komutator tertentu
2. Konverter sinkron dapat membawa
daya lebih tanpa overheat
3. Rasio yang tetap antara tegangan ring
a-c dan tegangan sikat d-c yang
mengharuskan penggunaan
transformator antara konverter dan
tegangan tinggi AC pada saluran
transmisi
4. Rasio tegangan efektif antara ring a-c
dengan tegangan konstan antara sikat
d-c ialah:
 0,71 untuk konverter satu fasa (dua
ring)
 0,71 untuk tiap fasa dari konverter
dua fasa (empat ring)
 0,62 untuk tiap fasa dari konverter
tiga fasa (tiga ring)
5. Rasio arus tergantung dengan faktor
daya pada operasi konverter dan
efisiensinya
6. Konverter sinkron sesungguhnya
merupakan motor sinkron dan
generator DC yang dikombinasikan
menjadi satu mesin
7. Pada kuat medan normal konverter
menghasilkan faktor daya unity
8. Pada kuat medan tinggi (over-excited)
konverter menjadi leading
9. Pada kuat medan lemah (under-
excited) konverter menjadi lagging
DAFTAR PUSTAKA
1. Dover,A.T, Electric Traction: A
Treatise On The Application Of
Electric Power to Tramways amd
Railways, The Macmillan
Company,New York, 1917
2. Jameson,J.M, Essentials Of
Alternating Currents, Jhon Wiley &
sons, Inc, New York, 1919
3. Proceedings of ITB Vol. 21, No. 1,
1988, Indonesia
BIOGRAFI
Oktarico Susilatama P,
NIM 21060110141053,
lahir di kendal, 22 Oktober
1992, menempuh
pendidikan di SMPN 1
Semarang, SMAN 3
Semarang. Dan sekarang
sedang menempuh S1 di
Teknik Elektro Universitas Diponegoro.