Penerapan Elektronika Daya pada Air Conditioning (AC)

Artikel sebelumnya: Prinsip Kerja Air Conditioning

Pada gambar sederhana di bawah ini dapat lihat bahwa pada penyejuk udara atau Air Conditioning (AC) terdapat unit bernama Motor Drive atau kompresor yang diputar menggunakan motor listrik. Motor listrik yang digunakan merupakan jenis motor listrik AC (Alternating Current) yang menggunakan sumber arus bolak-balik untuk menjalankannya. Motor listrik AC (Alternating Current) memiliki karakteristik daya listrik yang dibutuhkan akan sebanding dengan kecepatan putaran dan torka (ukuran ‘kekuatan’ dari putaran motor tersebut), artinya semakin besar motor tersebut memutar sesuatu atau dalam hal ini refrigerant maka semakin besar pula daya listrik yang dikonsumsinya. Dengan demikian, yang akan dibahas disini adalah hanya terpusat pada pengendalian kecepatan motor pada kompresor yang terdapat pada AC atau Air Conditioning tersebut.

Gambar 1: Siklus dingin Air Conditioning (AC)

Penggerak frekuensi variabel dapat menghasilkan frekuensi output mulai dari 2 Hz sampai 90 Hz. Oleh karena itu, standar motor induksi pada Air Conditioning (AC) yang telah dirancang untuk berkerja pada kecepatan 1725 rpm dengan frekuensi 60 Hz, dapat dibuat bekerja pada kecepatan sekitar 60 rpm (2 Hz) sampai sekitar 2700 rpm (90 Hz).

Elektronika solid state daya tinggi membuat penggerak frekuensi variabel (inverter) efisien dan akurat. Penggerak utama terdiri dari inverter itu sendiri, yang mengubah daya yang masuk 50 Hz atau 60 Hz menjadi frekuensi variabel dan tegangan variabel. Frekuensi variabel adalah persyaratan yang aktual yang akan mengontrol kecepatan motor pada kompresor sistem Air Conditioning (AC).

Gambar 2 : Penggerak kecepatan motor Kompresor dapat diatur Frekuensi Variabel

Gambar 2 menunjukkan susunan umum dari penggerak kecepatan motor kompresor yang dapat diatur dengan frekuensi variable. Rangkaian mempunyai dua status daya: penyearah dan inverter. Penyearah mengubah daya ac yang masuk menjadi daya dc dan memberikan daya tersebut pada rangkaian inverter. Rangkaian inverter mengubah daya dc kembali pada output ac frekuensi yang dapat diatur yang mengontrol kecepatan kompresor. Inverter disusun dari saklar elektronis (transistor) seperti pada gambar 6 yang mengatur daya dc ON dan OFF menghasilkan daya ac yang dapat dikontrol pada frekuensi dan tegangan yang diinginkan. Regulator memodifikasi inverter karakteristik penghubungan sehingga frekuensi output dapat dikontrol.

Gambar 3: Rangkaian Lengkap Penggerak Kecepatan Motor Kompresor

Gambar 3 memperlihatkan rangkaian kompleks dari penggerak kecepatan motor kompresor di mana frekuensinya dapat diatur. Pada gambar tersebut terdapat 5 komponen yaitu transformator, penyearah (rectifier), filter, inverter, dan motor induksi 1 fasa (kompresor) yang mana akan dijelaskan sebagai berikut :

Masukan atau input dari rectifier adalah tegangan bolak-balik ±220 Volt dari PLN dengan frekuensi sebesar 50 Hz. Sebelum melalui rectifier, terlebih dahulu harus melalui sebuah transformator untuk memperoleh level tegangan sesuai dengan yang diinginkan karena besar tegangan sumber dari PLN terkadang berubah-ubah, setelah itu baru melalui rectifier.
Prinsip kerja rangkian penyearah gelombang penuh sistem jembatan dapat dijelaskan sebagai berikut :

Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan positif dari siklus sinyal ac, maka :
- D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur
Sehingga arus mengalir melalui D1 dan D3.

Apabila jembatan memperoleh siklus negative, maka :
- D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur.
Sehingga arus akan mengalir melalui D2 dan D4

Tegangan keluaran dari penyearah akan melalui filter Induktor (L) dan Kapasitor (C) sehingga bentuk gelombang arus dan tegangan dari penyearah di atas akan menjadi rata karena filter L berfungsi unuk meratakan arus sedangkan filter C berfungsi untuk meratakan tegangan. Dengan demikian fungsi dari pemasangan Induktor dan kapasitor tersebut yaitu sebagai tapis harmonisa. Bentuk gelombang input dan output dari penyearah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4: Gelombang input Rectifier

Gambar 5: Gelombang output Rectifier

Inverter gelombang penuh ditunjukkan dalam gambar 6. Ketika Transistor T1 dan T2 bekerja (ON), tegangan Vs akan mengalir ke motor tetapi T3 dan T4 tidak bekerja (OFF). Selanjutnya, transistor T3 dan T4 bekerja (ON) sedangkan T1 dan T2 tidak bekerja (OFF), maka pada beban akan timbul tegangan –Vs. Pemasangan dioada anti parallel dengan transistor bertujuan untuk memberikan jalan bagi beban yang bersifat induktif seperti motor-motor listrik. Bentuk gelombang ditunjukkan pada gambar 6 berikut.

Gambar 6: Gelombang output penyearah dan output inverter 1 Fasa

Bentuk dasar gelombang keluaran inverter satu fasa jembatan penuh merupakan suatu bentuk gelombang kotak, hal ini dikondisikan faktor beban keluaran adalah beban fundamental atau beban resistif saja. Pada pembebanan dengan beban fundamental maka arus keluarannyapun adalah arus fundamental seperti ditunjukkan pada Gambar berikut.

Gambar 7: Arus dan tegangan fundamental

Arus keluaran fundamental ini akan dijadikan sebagai referensi jika gelombang keluaran inverter dikehendaki sebagai gelombang sinus. Hal ini dilakukan dengan mengatur nilai faktor beban dengan perancangan kombinasi beban induktif dan resistif.

Dengan menggunakan inverter, maka sumber tegangan bolak-balik yang mensuplai motor dapat kita atur besar tegangannya maupun frekuensinya, dengan cara sumber dari PLN disearah terlebih dahulu menggunakan penyearah, kemudian dibuat menjadi bolak-balik dengan menggunakan inverter. Sekarang tidak harus tegangan dan frekuensi tetap yang didapat dari sumber PLN. Kecepatan putaran motor sebanding dengan frekuensi sumbernya, sedangkan besar torka motor sebanding dengan arus yang mengalir. Karena kita bisa mengatur besar tegangan dan frekuensi sumber maka tentu saja daya listrik yang masuk ke motor juga bisa kita atur besarnya sesuai dengan kebutuhan beban yang harus diputar oleh motor.

Untuk mempertahankan frekuensi motor variabel berjalan dengan efisien dan mencegahnya dari pemanasan lebih, perbandingan tegangan dan frekuensi harus dipertahankan. Apabila frekuensi dikurangi, tegangan dan juga harus dikurangi untuk membatasi arus motor. Reaktansi induktif menurun bersama dengan frekuensi; karena motor itu motor akan mengambil arus berlebihan pada frekuensi yang berlebihan tanpa pengaturan tegangan. Jenis pengaturan kecepatan ini apabila digunakan pada motor induksi (kompresor), menjadi sistem yang paling bernilai efektif dan popular.

Disinilah letak peran dari teknologi elektronika daya khususnya inverter pada Air Conditioning. Ketika suhu udara mulai sedikit naik, maka daya motor perlu ditambah sedikit saja untuk kembali membuat suhu ruangan menjadi turun, sebaliknya ketika suhu sudah cukup dingin maka daya motor bisa dikurangi cukup untuk menjaga suhu tersebut relatif konstan. Pengaturan dilakukan dengan membaca suhu ruangan dan menginformasikannya ke rangkaian kendali saklar untuk menentukan berapa besar tegangan dan frekuensi yang diperlukan. Hal tersebut dapat dilakukan dengan pengatur besarnya pulsa trigger yang diberikan pada Thyristor yang terdapat pada rangkaian inverter.

Hal ini berbeda dengan penyejuk udara pada teknologi konversional atau penyejuk udara yang tidak menggunakan inverter dimana motor dari kompresor digerakkan dengan daya penuh setiap saat, pengaturan suhu dilakukan dengan mematikan motor ketika suhu ruangan dingin dan menyalakannya kembali dengan daya maksimal ketika suhu sudah mulai naik. Hal ini sama saja dengan analogi pada gas mobil yang selalu diinjak penuh sedangkan untuk mengurangi kecepatan mobil rem yang diinjak, padahal sebaiknya gas-nya mobil juga dikurangi baru dibantu dengan rem untuk menghentikan mobil. Pada gambar 8 dan gambar 9 memperlihatkan garfik perbedaan konsumsi daya antara AC yang memanfaatkan inverter dengan yang masih konvensional atau tidak memanfaatkan teknologi elektronika daya. Terlihat jelas bahwa penyejuk yang menggunakan inverter memang bisa menghemat konsumsi daya listrik.