61
AC
D
1
D
2
D
3
D
4
L R
D
1
D
2
D
3
D
4
L R
Z L
1
C
R
1
AC
Gambar 3.2. a Penyearah satu fasa full bridge dengan beban kapasitor perata yang dipasang parallel dengan RL seri
b penyearah satu fasa full bridge dengan beban kapasitor perata yang dipasang parallel dengan RL seri dan filter pasif RLC pada sisi input
penyearah.
Dalam penelitian ini akan menganalisa harmonisa yang terjadi pada sisi AC penyearah satu fasa full bridge sebelum menggunakan filter pasif RLC dan setelah
memperoleh hasilnya memasangkan filter pasif pada sisi input sisi AC penyearah tersebut.
3.2. Perencanaan penyearah satu fasa
full bridge dan filter pasif RLC
Beberapa asumsi dibuat untuk rangkaian penyearah dan filter yang direncanakan adalah:
a. Beban R adalah resistif murni dengan nilai 100 ohm untuk memudahkan dalam perhitungan.
b. Beban L adalah ideal dengan dua nilai induktansi. yaitu 1,65μH dan 1,65 mH.
Nilai induktansi beban L yang pernah dilakukan 1,65μH, pada percobaan ini
Universita Sumatera Utara
62
nilai induktansi beban L diperbesar menjadi 1,65 mH untuk melihat perubahan THD arus yang timbul pada sisi AC penyearah.
c. Komponen R, L dan C dari filter pasif RLC adalah ideal. d. Dioda yang digunakan sebagai penyearah full bridge dalam simulasi ini
adalah dioda ideal, drop tegangan sama dengan nol saat forward dan arus bocor sama dengan nol saat reverse bias.
Dalam perencanaan ini ada empat hal yang dikerjakan, yaitu: a. Perencanaan penyearah.
1. Spesifikasi komponen yang digunakan untuk rangkaian penyearah adalah: Tabel 3.1. Spesifikasi komponen penyearah full bridge
No Komponen
Spesifikasi 1.
2. 3.
Sumber AC Kapasitor perata C
Daya Penyearah 110 V50 Hz.
0,1 F untuk memperoleh Ripple yang minimum. 500 W
Percobaan yang pernah dilakukan, nilai C yang digunakan sebagai kapasitor perata adalah 68μF, 470 μF dan 60 mF. Pada percobaan ini
digunakan 0,1 F dan RF yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan berikut:
=
1 4 .
�
1 +
1 ��. 2
�� =
1 4 . .�−1 2
=
1 4.50.0,1.100−1 2
RF = 3,54 x 10
-4
Universita Sumatera Utara
63
2. Dari spesifikasi diatas diperoleh besaran DC yang dihasilkan penyearah melalui perhitungan berikut:
a. � �
= �
�
� 2 sinyal sinus. b. V
m
= 110 V x 2 = 155,56 V.
c. Persamaan 2.44 �
�
= � 1 −
1 4
�
. d.
�
�
= � 1 −
1 4.50.100.0,1
= 155,56 x 0,9995 = 155,48 Volt. e. Bila Vdc = 155,48 V dan P = 500 Watt maka arus maksimum yang
dapat dihasilkan oleh penyearah adalah:
� �
=
�
�
�
=
500 155,48
= 3,216 A.
Untuk memudahkan perhitungan, nilai tahanan R yang dipasang sebagai beban penyearah sebesar 100 ohm, maka arus yang mengalir melalui R
adalah:
�
=
�
�
�
=
155,48 100
Ω
= 1,5548 �, nilai I
DC
lebih kecil dari I
DC max
. R= 100
Ω dapat digunakan sebagai beban penyearah.
b. Simulasi rangkaian penyearah Dengan menggunakan Matlabsimulink data-data tersebut diatas dimasukkan
kedalam rangkaian 2 buah penyearah 1 fasa gelombang penuh yang sama tetapi memiliki beban yang berbeda, masing-masing memiliki beban R dan
beban RL.
Universita Sumatera Utara
64
1. Penyearah dengan beban R.
Gambar 3.3 Simulasi rangkaian penyearah satu fasa full bridge dengan beban R
Hasil yang diperoleh setelah menjalankan rangkaian Gambar 3.3 diperlihatkan pada Gambar 3.4 s.d 3.9.
Gambar 3.4. Gelombang tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban R
Universita Sumatera Utara
65
Gambar 3.5 Spektrum tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban R
Gambar 3.6. Gelombang arus input penyearah satu fasa full bridge beban R
Gambar 3.7 Spektrum arus input penyearah satu fasa full bridge beban R
Universita Sumatera Utara
66
Gambar 3.8 Gelombang tegangan output penyearah satu fasa full bridge beban R
Gambar 3.9 Gelombang arus output penyearah satu fasa full bridge beban R
Universita Sumatera Utara
67
Dari Gambar 3.4 s.d 3.9 diperoleh data hasil simulasi rangkaian Gambar 3.3 seperti yang terlihat pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Data hasil Simulasi penyearah satu fasa full bridge beban R No.
Uraian Input AC
Output DC 1.
2. 3.
4. 5.
6. 7.
8. V
maks
frkuensi 50 Hz V
RMS
THD Tegangan I
maks
I
RMS
THD Arus V
DC
I
DC
155,6 Volt 110 Volt
3,11 A 2,199 A
299,99 155,5 Volt
1,555A
Dari Tabel 3.2 diketahui bahwa dengan nilai kapasitas kapasitor perata 0,1 F dan R = 100 Ω menghasilkan ripple yang minimum, 3,5x10
-4
pada output DC dan THD arus = 299,99 pada input AC.
Data percobaan sebelumnya, C = 60 mF dan R=48,4 Ohm menghasilkan ripple
faktor sekitar 0,1 dan THD sebesar 169. Ripple faktor keluaran penyearah berbanding terbalik dengan THD arus yang dihasilkan pada sumber input AC
penyearah. Dari Tabel 3.2 dan Gambar 3.10 dapat kita peroleh nilai dari Z dioda melalui
tahapan berikut: a. Hitung nilai Xc dimana C = 0,1 F dan f = 50 Hz.
� = 1
2 �
= 1
2 � 3,14 � 50�0,1
= 0,0318 Ω
b. Rparalel =
� � � +�
=
0,0318 � 100
100,0318
= 0,0318 Ω
Universita Sumatera Utara
68
c. Z dioda =
110 2,199
− 0,0318 = 49,99 Ω
AC Zdioda
R=100 Ω
V
RMS
= 110 V I
RMS
= 2,199 A X
C
Gambar 3.10 Rangkaian ekivalen penyearah dengan beban R=100 ohm.
1. Penyearah dengan beban RL1, L=1,65μH
Gambar 3.11 Rangkaian Penyearah satu fasa full bridge beban RL 1,65μH
Universita Sumatera Utara
69
Hasil yang diperoleh setelah menjalankan rangkaian Gambar 3.11 diperlihatkan pada Gambar 312 s.d 3.15.
Gambar 3.12 Gelombang tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65μH
Gambar 3.13 Spektrum tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65μH
Universita Sumatera Utara
70
Gambar 3.14 Gelombang arus input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65μH
Gambar 3.15 Spektrum arus input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65μH
Universita Sumatera Utara
71
2. Penyearah dengan beban RL2, L=1,65mH
Gambar 3.16 Rangkaian Penyearah satu fasa full bridge beban RL 1,65mH Hasil yang diperoleh setelah menjalankan rangkaian Gambar 3.16
diperlihatkan pada Gambar 3.17 s.d 3.20 dan pada Tabel 3.3.
Gambar 3.17 Gelombang tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65mH
Universita Sumatera Utara
72
Gambar 3.18 Spektrum tegangan input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65mH
Gambar 3.19 Gelombang arus input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65mH
Universita Sumatera Utara
73
Gambar 3.20 Spektrum arus input penyearah satu fasa full bridge beban RL dengan L = 1,65mH
Tabel 3.3 Data hasil Simulasi penyearah satu fasa full bridge beban RL No.
Uraian L = 1,65μH
L=1,65mH 1.
2. 3.
4. 5.
6. V
maks
frkuensi 50 Hz V
RMS
THD Tegangan I
maks
I
RMS
fundamental THD Arus
155,6 Volt 110 Volt
3,11 A 2,199 A
299,99 155,6 Volt
110 Volt
3,11 A 2,199 A
299,99
Perubahan nilai induktansi beban L dari 1,65μH menjadi 1,65mH yang
dipasang seri dengan R 100 Ohm tidak mempengaruhi besar THD arus yang terjadi pada input AC penyearah, THD arus tetap 299,99.
Dari Persamaan 2.14 kita dapat mencari nilai RMS tegangan dan arus input penyearah.
� =
1
1 + ���
2
.
Universita Sumatera Utara
74
�
=
1 �
1 + ��� 100
2
�
�
= �
1 �
1 + ���
�
100
2
�
= 2,199 1 + 2,9999
2
= 5,361 � ,
�
�
= 110 1 + 0,00
2
= 110 � ,
c. Merencanakan filter pasif RLC, merujuk pada Bab II, 2.11.b. 1. Perhitungan nilai R,L dan C dari komponen filter pasif.
Perhitungan nilai C melalui perhitungan faktor daya. Faktor daya dapat diperoleh dengan Persamaan 2.7, persamaan yang menghubungkan faktor daya
dengan harmonisa, ∅ = =
1
. 1+ ���
� 2
. 1+���
2
= cos ∅
� �
. cos ∅
�
Display P menunjukkan nilai P = 241,4 Watt =
�
�
�
�
= 110 � � 5,361 � = 589,71 VA
1
= �
1 �
1 �
= 110 � � 2,199 � = 241,89 ��
∅ =
241,4 241,89
1+0
2
1+ 2,9999
2
=
241,4 764,9
= 0,3155 ∅ =
−1
0,3155 = 71,6 Faktor daya awal
∅ = 0,3155 Faktor daya yang diinginkan
∅
1
= 0,99, ∅
1
= 8,11 ∆ = tan ∅
1
− tan ∅
2
= 241,4 � tan 71,6 − tan 8,11 ∆ = 241,4 � 3,0 − 0,1425 = 689,8 ���
Universita Sumatera Utara
75
Nilai kapasitor yang akan digunakan dapat dicari dengan Persamaan 2.74 =
∆ ��
2
=
689,8 2
� 110
2
= 1,815 � 10
−4
� Nilai L yang digunakan sebagai filter RLC dimana f
O
= 50 Hz diperoleh dengan Persamaan 2.98
=
1 �
2
. �
→ � =
1 �
2
.
=
1 2.�.50
2
.1,815 �10
−4
= 56 mH Berdasarkan faktor kualitas Q dan Persamaan 2.97 diperoleh nilai R.
Bila Q 10, maka digolongkan BPF bidang lebar. Bila Q 10, maka digolongkan BPF bidang sempit
Kita ambil nilai Q = 20, maka nilai R adalah : =
1 �
�
→ � =
1 �
� =
1 20
56 �10
−3
1,815 � 10
−4
= 878 Ω
Frekuensi Centre f = 50 Hz
Frekuensi cut off pada frekuensi tinggi diperoleh dengan Persamaan 2.114 �
2
=
� 2
+ � 1 +
1 4
2
=
2 ��� 50
2 �20
+ 2 ���50 1 +
1 4
� 20
2
∴ �
2
= 15,708 + 314,16 1,000625 = 329,868
∴
2
=
329,868 2
��
= 52,5 ��
Frekuensi cut off pada frekuensi rendah diperoleh dengan Persamaan 2.116 � = �
2
. �
1
→ �
2
= �
2
. �
1
�
1
=
�
2
�
2
=
4 ��
2
�50 2
��� 52,5
= 5,98 Hz
Universita Sumatera Utara
76
Berdasarkan Persamaan 2.116 diperoleh B =
�
2
− �
1
= 52,5 − 5,98 = 46,52 Hz.
d. Simulasi rangkaian penyearah yang dilengkapi filter pasif Berdasarkan data-data yang telah dihitung diatas, dirangkai filter pasif RLC
pada sisi AC masing-masing penyearah 1 fasa dengan beban R dan dengan beban RL, untuk beban RL digunakan L = 1,65 mH . Rangkaian penyearah dilengkapi filter
diperlihatkan pada Gambar dibawah ini. 1. Rangkaian penyearah beban R dilengkapi dengan filter pasif
Gambar 3.21. Filter pasif RLC dipasang pada sisi input AC penyearah satu fasa full bridge
beban R
Hasil simulasi rangkaian Gambar 3.21 dapat dilihat pada Gambar 3.22 s.d 3.25
Universita Sumatera Utara
77
. Gambar 3.22. Gelombang tegangan input penyearah beban R setelah difilter
Gambar 3.23. Spektrum tegangan input penyearah beban R setelah difilter
Gambar 3.24. Gelombang aarus input penyearah beban R setelah difilter
Universita Sumatera Utara
78
Gambar.3.25 Spektrum arus input penyearah beban R setelah difilter
2. Rangkaian penyearah beban RL, L= 1,65 mH dilengkapi dengan filter pasif
Gambar 3.26. Filter pasif RLC dipasang pada sisi input AC penyearah satu fasa full bridge
beban RL Seri, L = 1,65 mH.
Universita Sumatera Utara
79
Hasil simulasi rangkaian Gambar 3.26 dapat dilihat pada Gambar 3.27 s.d 3.30.
Gambar 3.27. Gelombang tegangan input penyearah beban RL Seri setelah difilter
Gambar 3.28. Spektrum tegangan input penyearah beban RL Seri setelah difilter
Universita Sumatera Utara
80
Gambar 3.29. Gelombang arus input penyearah beban RL Seri setelah difilter
Gambar.3.30 Spektrum arus input penyearah beban RL Seri setelah difilter
Dari Gambar 3.22 s.d 3.25 dan Gambar 3.27 s.d 3.30 diperoleh data hasil simulasi rangkaian Gambar 3.21 dan rangkaian Gambar 3.26 seperti yang terlihat
pada Tabel 3.4.
Universita Sumatera Utara
81
Tabel 3.4. Data hasil Simulasi penyearah satu fasa full bridge setelah difilter No.
Uraian Beban R = 100 Ω Beban R = 100 Ω
dan L=1,65mH 1.
2. 3.
4. 5.
6. V
maks
frkuensi 50 Hz V
RMS
THD Tegangan I
maks
I
RMS
THD Arus 155,6 Volt
110 Volt
262,4 A 185,5 A
0,57 155,6 Volt
110 Volt
262,4 A 185,5 A
0,57
Tabel 3.4. memperlihatkan bahwa filter pasif RLC dengan teknik band pass filter
dapat mereduksi harmonisa dari 299,99 hingga 0,57 . Peredaman pasif band pass filter RLC Q=20 adalah:
=
���
� �
− ���
� �
ℎ
���
� �
x 100
=
299,99 −0,57
299,99
= 99,81
Universita Sumatera Utara
82
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
