http://ejournal.unp.ac.id/index.php/jtev/index
Volume 06  Number 02  2020 ISSN: 2302-3309
Received May 23, 2020; Revised May 30, 2020; Accepted May 31, 2020

## Rancang Bangun AC to AC Converter Tiga Fasa dengan Visual Basic
Samira Laila Luthfiani 1 , Krismadinata 2
Program Studi Teknik Elektro Industri, Jurusan Teknik Elektro. Universitas Negeri Padang Jalan Prof. Dr. Hamka – UNP – Air Tawar – Padang 25131, Indonesia *Corresponding author, e-mail: sara.luthfiani@gmail.com

## Abstrak
Pada penelitian ini membahas pemanfaatan teknik pengontrolan interfacing dari sebuah konverter AC- AC  tiga  fasa  (AC Chopper ).  Pengontrolan  fasa  tersebut  memberikan  kemudahan  dalam  sistem pengendalian  tegangan  AC.  Tegangan  keluaran  AC  didapatkan  melalui  konversi  daya  AC  dengan mengubah nilai rms tegangan AC yang dicatukan pada beban dengan menggunakan thyristor jenis SCR sebagai sakelar. Dari kegunaan sinyal AC mengubah tegangan keluaran dengan frekuensi fundamental yang  tetap,  tegangan  keluaran  konverter  AC  ini  dipicu  oleh  sudut  dua  buah  SCR  yang  terhubung antiparalel  dengan zero  crossing  detector sebagai  persilangan  titik  nol  pada  tiap  fasa.  Pada  penelitian ini  akan  dirancang  sebuah  rangkaian  konverter  AC  tiga  fasa  bertegangan  rendah  12VAC  dengan interfacing  Visual  Studio 2012.  Pengaturan  tegangan  diatur  oleh  potensiometer  yang  diprogram  pada Arduino Uno dan ditampilkan pada PC( Personal Computer) . Konverter AC tiga fasa ini menggunakan tiga  buah  beban  resistif  terhubung  bintang  dan  masing-masing  hasil  tegangan  keluaran  dideteksi  oleh sensor zmpt101b.
Kata  Kunci: Konverter  AC,  SCR,  Zero  Crossing  Detector,  Gate  Driver,  Arduino  Uno,  Visual Studio 2012.

## Abstract
This research discusses the use of interfacing  control techniques from a three-phase AC-AC converter (AC  Chopper).  This  phase  control  provides  convenience  in  the  AC  voltage  control  system.  The  AC output voltage is obtained through AC power conversion by changing the rms value of the AC voltage applied  to the load using a SCR type thyristor as a switch. From the use of AC signals  to change the output voltage with a fundamental fundamental that is fixed, the output voltage of the AC converter is triggered by the angle of two SCRs that are connected antiparallelly to the zero crossing detector as the zero point crossing in each phase. This research will design a series of 12VAC low voltage three phase AC  converters  with  Visual  Studio  2012  interfacing.  The  voltage  regulation  is  regulated  by  a potentiometer  programmed  on  Arduino  Uno  and  displayed  on  a  PC  (Personal  Computer).  This  three phase AC converter uses three resistive loads connected to the star and each output voltage is detected by the zmpt101b sensor.
Keyword: AC  converter,  SCR,  Zero  Crossing  Detector,  Gate  Driver,  Arduino  Uno,  Visual  Studio 2012.

## PENDAHULUAN
Perkembangan  sistem  konverter  daya  menjadi  tuntutan  kebutuhan  industri  yang signifikan  saat  ini,  salah  satunya  yaitu  pengontrol  tegangan  AC.  Pemanfaatan  teknik pengontrolan fasa tersebut memberikan kemudahan dalam sistem pengendalian AC.Tegangan keluaran AC didapatkan melalui konversi daya AC dengan mengubah nilai rms tegangan AC yang  dicatukan  pada  beban  dengan  menggunakan thyristor sebagai  sakelar.  Dari  kegunaan
sinyal  AC  mengubah  tegangan  keluaran  dengan  frekuensi  fundamental  yang  tetap,  tegangan keluaran konverter AC ini dipicu oleh sudut dua buah SCR yang terhubung antiparalel dengan zero  crossing  detector sebagai  persilangan  titik  nol  pada  tiap  fasa.  Pengaturan  tegangan keluaran diatur oleh sudut penyalaan thyristor . Dengan pengaturan sudut penyalaan thyristor, maka didapatkan tegangan keluaran AC yang bervariasi yang dapat digunakan untuk beberapa keperluan seperti pengontrolan kecepatan motor induksi, pengendalian light dimmer ruangan dan pemanas domestik juga industri.

## METODE
Konsep  dasar  dari  sebuah  konverter  AC-AC  adalah  TRIAC  atau  sepasang  SCR  yang terhubung  antiparalel  diantara  sumber  tegangan  dan  beban.  Pengontrolan  fasa  tersebut mengubah tegangan input AC menjadi tegangan output AC yang bervariasi tanpa mengubah frekuensi  fundamentalnya.  Pada  pengontrolan  fasa  ini,  saklar  daya  yang  digunakan  yaitu thyristor jenis SCR untuk  mengatur sudut penyalaan pada rangkaian.
Pengontrolan tegangan AC-AC terdapat dua jenis yaitu pengontrolan konverter satu fasa dan    pengontrolan  tegangan  ac-ac  tiga  fasa.  Pada  makalah  ini  akan  dibahas  mengenai pengontrolan AC-AC tiga fasa yaitu pengontrolan yang bersumberkan listrik AC tigafasa dan tegangan  keluarannya  juga  tiga  fasa.  Pengontrolan  ini  menggunakan  sepasang  SCR  yang mana pemicuannya dilakukan oleh mikrokontroler Arduino Uno.
Gambar 1.  Rangkaian konverter ac-ac tiga fasa dengan beban resistif tehubung bintang. Sumber : Rashid, Muhammad H. Power Electronics Circuits, Devices, And Applications (Third edition). Oxford: Eselvier Publisher, 2011.
Gambar 2. Penyulutan Sudut Menggunakan Metode PWM AC Chopper. Sumber : Rashid, Muhammad H. 2011. Power Electronics Circuits, Devices, And Applications (Third edition). Oxford: Eselvier Publisher
Gambar 3.  Rangkaian Konverter Ac-Ac Tiga Fasa Dengan PSIM.
Gambar 4. Bentuk Gelombang Tiga Fasa Dengan PSIM.
Gambar 5. Skema Keseluruhan Rangkaian Elektronika.
Gambar 6. Simulasi Dengan Proteus.

## PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT

## A. Deteksi Fasa
Rangkaian  ini  menggunakan  op-amp  741  untuk  mendeteksi  titik  persilangan  nol positif dan negatif tegangan . Rangkaian zcd disuplai dengan catu daya +9Vdc dan –9Vdc dengan trafo ct 500mA 12V. Pada tugas akhir ini membutuhkan tegangan DC untuk suplai rangkaian zero  crossing  detector ,  arduino  dan  optoisolator.  Tegangan  9Vdc  dan  –9Vdc pada  deteksi  fasa  menggunakan  IC  regulator  LM7809  dan  LM7909.  Tegangan  keluaran +9Vdc untuk mensuplai kaki 7 IC op-amp dan -9Vdc untuk kaki 4 IC op-amp.
Gambar 7. Rangkaian Power Supply
Gambar 8. Rangkaian Op-Amp 741
Gambar 9. Bentuk Gelombang Zero Crossing Detector

## B. Rangkaian Daya
Silicon  Controlled  Rectifier  adalah  dioda  yang  memiliki  kaki  ketiga  yang  dinamai dengan “gate” atau gerbang. Dua buah SCR terhubung antiparalel dipicu tegangan dc dari rangkaian  optocoupler.  SCR  yang  digunakan  jenis  BT151  yang  mana  dapat  dipicu dengan tegangan minimal 0,6Vdc dan maksimal 1,5Vdc.
Karakteristik SCR

## Gambar10. Karakteristik SCR
Pada  keadaan  off  tidak  ada  arus  yang  mengalir  sampai  dicapainya  batas  tegangan tembus.  Pada  keadaan  on  arus  tidak  akan  mengalir  sampai  dicapainya  batas  tegangan penyalaan. SCR BT151 mempunyai tegangan maksimal 500V.

## C. Gate Drive
Optoisolator  digunakan  sebagai  interface  rangkaian  kontrol  dan  rangkaian  daya. Optoisolator yang digunakan yaitu MOC3021 terdiri dari dua bagian yaitu transmitter dan receiver.  Optoisolator  juga  berfungsi  sebagai  pengaman  antara  rangkaian  kontrol  dan daya. Transmitter adalah bagian yang terhubung pada input dengan rangkaian kontrol dan receiver  adalah  bagian  yang  terhubung  pada  output  dengan  rangkaian  daya.  Pin  kaki  1 dan  2  terhubung  pada  input  dan  pin  kaki  4  terhubung  ke  gate  SCR  dan  pin  kaki  6 terhubung ke kaki anoda SCR.
Gambar 11. Optoisolator MOC3021
Gambar 12. Bentuk Gelombang Sudut Pemicu Pada Gate Drive

## D. Mikrokontroller Arduino Uno (Atmega 328p)
Board  ini  memiliki  14  pin  Digital,  6  pin  Analog,  dan  dapat  diprogram dengan Arduino  IDE.  Arduino  berfungsi  sebagai  pengontrol  semua  sudut  pemicuan  dan visual basic untuk tampilan parameternya.
Gambar 13. Diagram Pin Atmega328p

## E. Perancangan Perangkat Keras
Suplai  yang  digunakan  bersal  dari  listrik  PLN  220V  dengan  frekuensi  50hz. Tegangan diturunkan dengan menggunakan trafo step-down center tap 500mA +12V untuk rangkaian daya dan +6V untuk zero crossing detector . Blok diagram terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 14. Diagram Perancangan Konverter AC-AC

## F. Flowchart
Gambar 15. Flowchart Sistem Alat
Cara kerja konverter tiga fasa ini dapat dijelaskan berdasarkan flowchart tersebut:
1. Hubungkan konverter ke sumber listrik PLN 220V tiga fasa, dan hubungkan port I/O arduino ke PC.
2. Kontrol  sudut penyalaan menggunakan potensiometer atau melalui trackbar pada visual basic.
3. Lalu  pada  kontrol  sudut  penyalaan  dibaca  oleh  ADC  Arduino  diterima  oleh rangkaian zcd.
4. Dari  rangkaian  zcd  lalu  ke gate  drive ,  SCR  dapat  diatur  tegangannya  sesuai pengaturan  potensio  dan  trackbar  dengan  delay  dan  besar  sudut  yang  telah ditentukan.

## PENGUKURAN DAN PENGUJIAN PADA ALAT

## Gambar 16. Penampakan Keseluruhan Rangkaian
Data yang diambil dalam pengujian ini menggunakan beban resistor keramik terhubung bintang dengan nilai 10k 20W gelombang keluaran terlihat sebagai berikut.

## A. Percobaan Fasa R
(a) (b)
(b) (d) (e)                                                                   (f)
Gambar 17. Bentuk gelombang tegangan keluaran fasa R  (a) 0°, (b) 30°, (c) 60°, (d) 90°,
(e) 120°, (f) 150°

## B. Percobaan Fasa S
(a) (b)
(b) (d)

## (e)                                                                   (f)
Gambar 18. Bentuk gelombang tegangan keluaran fasa S  (a) 0°, (b) 30°, (c) 60°, (d) 90°,
(e) 120°, (f) 150°

## C. Percobaan Fasa T
(a)                                                                   (b)
(c)                                                                   (d)

## (e)                                                                   (f)
Gambar 19. Bentuk gelombang tegangan keluaran fasa T  (a) 0°, (b) 30°, (c) 60°, (d) 90°,
(e) 120°, (f) 150°
Output rms tegangan fasa 𝑉 0 dapat diperoleh dari tiga mode tersebut sebagai:
0° ≤ α ≤ 60 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝑖 √ 1 𝜋 [𝜋 − 3 2 𝛼 + 3 4 sin(2𝛼)]
60° ≤ α ≤ 90° 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝑖 √ 1 𝜋 [ 𝜋 2 + 3√3 4 sin(2𝛼 + 𝜋 6 )]
90° ≤ α ≤ 150° 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝑖 √ 1 𝜋 [ 5 4 𝜋 − 3 2 α + 3 4 sin (2𝑎 + 𝜋 3 )]
1. Sudut 0° Diketahui: Vrms = Tegangan Efektif Sumber (V) Vo = Tegangan Keluaran AC (V)
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [𝜋 − 3 2 0° + 3 4 sin(0°)] = 12 𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅
= 12𝑉 10000
= 1,2 𝑚𝐴
2. Sudut 30°
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [𝜋 − 3 2 30° + 3 4 sin(60°)]
=  10,41𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅 = 10,41𝑉 10000
= 1 𝑚𝐴
3. Sudut 60°
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [𝜋 − 3 2 30° + 3 4 sin(60°)] =  8,51𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅 = 8,51𝑉 10000
= 0,85 𝑚𝐴
4. Sudut 90 °
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [ 𝜋 2 + 3√3 4 sin(180 + 𝜋 6 )] =  8,45𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅
= 8,45𝑉 10000
= 0,845 𝑚𝐴
5. Sudut 120 °
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [ 5 4 𝜋 − 3 2 120 + 3 4 sin (240 + 𝜋 3 )] =  5,95𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅
= 8,51𝑉 10000
= 0,845 𝑚𝐴
6. Sudut 150°
𝑉 𝑜 = 12√ 1 𝜋 [ 5 4 𝜋 − 3 2 150 + 3 4 sin (300 + 𝜋 3 )] = 0𝑉 𝑎𝑐 𝐼 𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 𝑅 = 0 10000

## = 0𝐴
Dari pengujian konverter ac dengan beban resistif dapat diperoleh hasil dalam tabel sebagai berikut.
Tabel 1.  Pengukuran tegangan dan arus fasa R dengan beban resistor 10k
No. Delay (ms) Sudut α Vs Beban (Ohm) Pengukuran Perhitungan Tegangan (V) Arus (I) Tegangan (V) Arus (I) 1 0 0 12v 10k 11.9v 1.2mA 12v 1,2mA 2 1,66 30 12v 10k 11.5v 1.2mA 10,41v 1mA 3 3,33 60 12v 10k 10v 1.0mA 8,51v 0,85mA 4 4,98 90 12v 10k 7.12v 0.7mA 8,45 0,84mA 5 6,66 120 12v 10k 3.99v 0.3mA 5,95 0,84mA 6 8,33 150 12v 10k 1.99v 0.2mA 0v 0mA
Tabel 2.  Pengukuran tegangan dan arus fasa S dengan beban resistor 10k
No. Delay (ms) Sudut α Vs Beban (Ohm) Pengukuran Perhitungan Tegangan (V) Arus (I) Tegangan (V) Arus (I) 1 0 0 12v 10k 11.9v 1.2mA 12v 1,2mA 2 1.66 30 12v 10k 11.5v 1.2mA 10.41v 1mA 3 3.33 60 12v 10k 9.97v 1.0mA 8.51v 0.85mA 4 4.98 90 12v 10k 7.14v 0.7mA 8.45v 0.84mA 5 6.66 120 12v 10k 3.80v 0.3mA 5.95v 0.84mA 6 8.33 150 12v 10k 1.99v 0.2mA 0v 0mA

## Tabel 3.  Pengukuran tegangan dan arus fasa T dengan beban resistor 10k
No. Delay (ms) Sudut α Vs Beban (Ohm) Pengukuran Perhitungan Tegangan (V) Arus (I) Tegangan (V) Arus (I) 1 0 0 12v 10k 11.9v 1.2mA 12v 1,2mA 2 1,66 30 12v 10k 11.5v 1.2mA 10,41v 1mA 3 3,33 60 12v 10k 10v 1.0mA 8,51v 0,85mA 4 4,98 90 12v 10k 7.12v 0.7mA 8,45 0,84mA 5 6,66 120 12v 10k 3.99v 0.3mA 5,95 0,84mA 6 8,33 150 12v 10k 1.81v 0.2mA 0v 0mA
Gambar 20. Tampilan Visual Basic

## PENUTUP
Setelah melakukan percobaan dapat disimpulkan sebagai berikut. Pertama , catu daya 9v paling ideal untuk suplai rangkaian zero crossing detector . Perhatikan penggunaan jenis trafo untuk  catu  daya  rangkaian  zero  crossing  karena  selama  percobaan,  IC  op-amp  741  mudah panas. Kedua ,pengontrolan  sudut  menggunakan  potensiometer  dan  trackbar  pada Visual Basic . Jika sudut pemicunya diperbesar maka semakin kecil tegangan keluarannya begitu juga sebaliknya. Ketiga ,  pada  rangkaian  gate  driver,  MOC3021  juga  sangat  sensitif  selama percobaan  maka  dari  itu  perhatikan  keseluruhan  rangkaian  sebelum  memulai  percobaan. Keempat , untuk pengembangan lebih lanjut disarankan tampilan vb agar lebih menarik seperti menambahkan angular gauge dan seven segmen .

## Daftar Pustaka
[1] Rashid, Muhammad,  “ Power  Electronics Circuits, Devices, And Applications,” (Third edition). Oxford: Eselvier Publisher. 2011.
[2] J. R. Espinoza  and  G.  Joos, “ A   Current  Source  Inverter  Fed   Induction Motor Drive System  With Reduced Losses, ” IEEE Trans. on Industry Applications , Vol. 34, No. 4, pp. 796-805, 1998.
[3] W. Hart, Daniel, “ Power Electrinocs: AC Voltage Controller, ” New York: The McGraw-Hill Companies. 2012.
[4] Trzynadlowski,  Andrej,  “ Introduction  to  Modern  Power  Electronics ”(Third  edition).  New  Jersey:  John Wiley & Sons. 2016.
[5] Pratiwi Surya, Indah,  “Perancangan dan  Analisis Back to Back Thyristor Untuk  Regulasi Tegangan  AC Satu Fasa” Banda Aceh: Jurnal Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala , 2017.
[6] Sangshin Kwak, “ Design and Analysis of  Modern Three-Phase AC/AC Power Converters For AC Drives and Utility Interface. Dept. of Electrical Eng., Kyungpook  National University., Korea, 2005. (Thesis or dissertation)

## Biodata Penulis
Samira Laila Luthfiani, lahir di Padang, 10 Januari 1998. Menyelesaikan studi DIV Teknik Elektro Industri pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
Krismadinata,  S.T,  M.T, Ph.D, lahir  di  Padang,  11 September  1977.  Lulus  dengan  Sarjana Teknik Elektro di Universitas Andalas pada tahun 2000. Memperoleh gelar Master of Technology dari Institut Teknologi Bandung (ITB) pada tahun 2004. Kemudian melanjutkan studi lulusan S3 di University of Malaya  pada  tahun  2012.  Staf  pengajar  pada  Jurusan  Teknik  Elektro  FT  UNP  sejak  tahun  2000  – sekarang.