Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 3.5 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan V
S
= 230 Volt, beban 200 Watt dan C
f
= 68 F dari Gambar 3.1.
Metode sederhana untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan adalah dengan menambahkan suatu induktor pada sisi keluaran penyearah seperti pada Gambar
3.6. Metode ini disebut dengan metode konvensional.
D
4
D
2
D
3
D
1
R
L
V
L
I
L
I
s
C
f
L
f
I
o
V
s
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 3.6 Penyearah dioda jembatan dengan induktor pada sisi keluaran. Misalkan pada Gambar 3.6 diatas, untuk nilai V
S
= 230 Volt, beban resistansi R = 500 , filter C
f
= 470 F dan filter L
f
= 1000 mH. Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan tampak pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk Gambar 3.6 dengan V
S
= 230 V, R = 500 ohm, C
f
= 470 F dan L
f
= 1000 mH.
Filter induktor juga dapat ditempatkan pada sisi masukan penyearah pada
Gambar 3.8. Metode ini disebut dengan metode standar. Dengan cara ini untuk nilai
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
V
S
= 230 Volt, beban resistansi R = 500 , filter C
f
= 470 F dan filter L
f
= 130 mH, bentuk gelombang arus dan tegangan masukan tampak pada Gambar 3.9.
V
s
D
4
D
2
D
3
D
1
R
L
V
L
I
L
I
s
C
f
L
f
I
o
Gambar 3.8 Penyearah dioda jembatan dengan induktor pada sisi masukan.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 3.9 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk Gambar 3.8 dengan V
S
= 230 V, R = 500 ohm, C
f
= 470 F dan L
f
= 130 mH Jadi, dengan memakai filter induktansi L
f
yang nilainya besar dengan metode konvensional maupun metode standar, arus induktor akan kontinu namun gelombang
arus masukan sistem I
s
akan berbentuk persegi square shape seperti pada Gambar 3.7. Dengan metode konvensional maupun standar untuk V
S
= 230 V, R = 500 ohm, C
f
=
470 F dan L
f
= 1000 mH cukup memberikan faktor daya masukan yang baik pada penyearah satu fasa dioda jembatan yakni sebesar 0,906 namun metode ini memakai
nilai komponen fiter yang besar.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Bila filter indukt ansi L
f
bernilai rendah arus masukan sistem I
s
akan beroperasi pada mode diskontinu karena arus masukan akan bernilai nol sebelum t = . Untuk
nilai L
f
yang sangat rendah, bentuk gelombang arus masukan sangat tajam dan berada hampir di tengah dari bentuk gelombang setengah siklus tegangan seperti tampak pada
Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Bentuk gelombang arus masukan penyearah dengan nilai filter L
f
yang rendah untuk metode konvensional bagian atas dan metode standar bagian bawah
Arus masukan I
s
mengandung komponen harmonisa ketiga dengan besaran yang patut dipertimbangkan, karena hal ini adalah penyebab utama rendahnya faktor daya masukan
penyearah. Dari hasil simulasi untuk V
S
= 230 V, R = 500 ohm, C
f
= 470
F dan L
f
= 68 mH faktor daya maksimum yang dapat dicapai adalah sebesar 0,735. Jadi dengan
memakai filter induktor bernilai rendah akan menyebabkan rendahnya faktor daya masukan dari penyearah.
Tentu saja dibutuhkan filter untuk menghilangkan komponen harmonisa ketiga dari arus masukan I
s
untuk memperbaiki faktor daya masukan. Dengan kata lain, suatu
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
filter induktor dengan ukuran besar dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya
masukan penyearah. Namun demikian, filter induktor dengan ukuran besar mempunyai dampak negatif sehubungan dengan bertambahnya pengaturan pada
tegangan keluaran dan kurang ekonomisnya sistem.
Untuk Gambar 3.6 dan Gambar 3.8 diatas, nilai arus rata-rata beban adalah : I
DC
=
L L
R V
pers.3.1 Keluaran penyearah satu fasa dioda jembatan hanya mengandung komponen harmonisa
genap even harmonics dan yang dominan adalah harmonisa orde ke-2 yang frekuensinya bernilai 2f 120 Hz.
III.2 Menentukan nilai komponen filter pada metode konvensional
Ada beberapa asumsi yang dipakai dalam menentukan komponen filter masukan dengan metode pada Gambar 3.6 di atas, antara lain :
1. Sumber AC V
s
dianggap ideal 2.
Rugi-rugi induktor L
f
, rangkaian jembatan dan kapasitor C
f
dianggap tidak ada. 3.
Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya. Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan E
i
, tegangan keluaran V
L
dan daya keluaran P
o
dinyatakan dalam per unit pu. Hubungan antara tegangan keluaran V
L
, nilai induktor L
f
dan daya keluaran P
r
ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.11 berikut.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 3.11 Hubungan antara filter L
f
, daya beban P
r
dan tegangan beban V
L
untuk metode konvensional
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban V
L
untuk metode penyearah pada Gambar 3.6 adalah seperti Gambar 3.12 berikut.
Gambar 3.12 Hubungan faktor daya dan tegangan beban V
L
dengan metode Konvensional
Dari grafik pada Gambar 3.11 dan Gambar 3.12 tampak bahwa nilai filter L
i
pada faktor daya masukan maksimum untuk beban 1.0 pu adalah 0.1 pu.
Nilai komponen filter C
f
ditentukan dengan rumus :
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
C
f
= 2
2 100
2 ,
ripple x
x x
xV xI
p L
o
ω pers.3.2
Pada pers.3.2 diatas, nilai I
o2,
V
L
, dan dinyatakan dalam per unit. Nilai V
Lp
pada pers. 3.2 diatas ditentukan dari Gambar 3.12. Sedangkan nilai
I
o,2
adalah arus riak untuk frekuensi 2f 120 Hz yang besarnya adalah : I
o,2
=
2
Z V
V
o m
∆ −
pers.3.3 Nilai V
o
diperoleh dari pers.2.1 sedangkan nilai Z
2
adalah impedansi untuk harmonisa orde ke-2 yang besarnya :
Z
2
=
2 2
2 L
R
ω
+
pers.3.4
III.3 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode konvensional.
E
i
= 1.0 pu P
r
= 1.0 pu V
L
= 1.0 pu Beban penyearah adalah 5000 W
1.0 pu, dengan tegangan masuk E
i
= 208 V rms 1.0 pu dan riak tegangan beban 5 dan frekuensi tegangan masuk 60 Hz.
Dari nilai diatas : 1 pu arus =
V P
=
208 5000
= 24,04 Amp
1 pu impedansi =
I V
= 04
, 24
208 =
8,65
1 pu t = 2 f = 377 raddetik
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
1 pu induktansi =
377 65
, 8
= 23 mH
1 pu kapasitansi = 377
65 ,
8 1
x =
306,65 F
Dengan memperhatikan Gambar 3.12 tampak bahwa faktor daya maksimum pada tegangan beban 1,1 pu. Dari Gambar 3.11 untuk daya 1,0 pu pada tegangan beban 1,1
pu diperoleh nilai induktansi 0,1 pu.
Sehingga nilai filter induktansi sebenarnya adalah : L
f
= 0,1 x 23 mH
= 2,3 mH
Masih dari Gambar 3.12, untuk faktor daya maksimum maka tegangan keluaran V
L
DC adalah sekitar 1,12 pu.
Maka nilai tegangan V
L
= 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Untuk riak tegangan keluaran 5 maka V
o
dihitung dengan pers. 2.1 V
o
= 0,05 x 2 x 208
= 14,7 Volt
Nilai impedansi Z
2
dihitung dengan pers.3.4 Z
2
=
2 2
2 L
R ω
+ =
2 3
2
10 3
, 2
377 2
65 ,
8
−
+ x
x x
= 8,822
Maka nilai I
o,2
sesuai pers.3.3
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
I
o,2
=
2
Z V
V
o m
∆ −
= 822
, 8
7 ,
14 208
2 −
x
= 31,67 Amp 1,317 pu
Nilai filter C
f
dihitung dengan pers.3.2 C
f
= 2
2 100
2 ,
ripple x
x x
xV xI
Lp o
ω
5 1
2 12
, 1
2 317
, 1
100 x
x x
x x
= 8,31 pu
Maka nilai C
f
sebenarnya = 8,31x306,65 =
2549,48 F
III.4 Metode filter parallel-resonant pada penyearah satu fasa dioda jembatan
Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant ditunjukkan pada Gambar 3.13 berikut. Metode filter parallel-resonant pada penyearah
satu fasa dioda jembatan membantu mengurangi kelemahan-kelemahan pada metode konvensional maupun metode standar. Misalkan pada Gambar 3.13, untuk nilai V
S
= 230 Volt, beban resistansi R
L
= 500 ohm, filter C
f
= 470 F dan filter L
r
= 240 mH serta C
r
= 4.7 F bentuk gelombang arus masukan penyearah adalah seperti pada Gambar 3.12.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
V
s
D
4
D
2
D
3
D
1
R
L
V
L
I
L
I
s
C
f
L
r
C
r
I
o
Gambar 3.13 Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan filter parallel-resonant
Gambar 3.14 Bentuk gelombang arus masukan bagian atas dan tegangan masukan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
bagian bawah dari penyearah pada Gambar 3.13 Metode ini menghasilkan bentuk gelombang arus masukan dengan kualitas lebih
baik dibandingkan dengan dua cara pada Gambar 3.6 maupun Gambar 3.8 diatas.
Dengan cara ini akan dapat memperbaiki bentuk gelombang arus masukan seperti tampak pada Gambar 3.14, sekaligus memperbaiki faktor daya masukan,
mengurangi tekanan arus penyearah dan menurunkan rating komponen filter.
Dengan adanya filter parallel-resonant L-C pada nilai yang sesuai, maka filter akan menghasilkan suatu impedansi yang infinite terhadap komponen harmonisa ketiga
dari arus masukan.
III.5 Menentukan nilai komponen filter parallel-resonant
Komponen harmonisa ke-3 dari impedansi ekivalen pada filter parallel-resonant diberikan dengan :
3X
Lr
= 3
Cr
X
atau C
r
=
r
L
2
9 1
ω pers.3.5
Impedansi total dari rangkaian, Z
TOT
adalah :
Cr Lr
TOT
Z Z
Z 1
1 1
+ =
pers.3.6 Dimana untuk harmonisa orde ke-2 dengan frekuensi 2f 120 Hz maka nilai impedansi
L dan C adalah : Z
Lr
= 2 L
r
pers.3.7 Z
Cr
=
r
C
ω
2 1
pers.3.8
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Ada beberapa asumsi yang dipakai pada analisa filter masukan dengan metode pada Gambar 3.13 di atas, antara lain :
1. Sumber AC V
s
dianggap ideal 2.
Rugi-rugi dari induktor L
i
, rangkaian jembatan dan kapasitor C
f
dianggap tidak ada.
3. Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya.
Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan V
s
, tegangan keluaran V
L
dan daya keluaran P
o
dinyatakan dalam per unit pu. Hubungan antara tegangan keluaran V
L
, nilai induktor L
r
dan daya keluaran P
r
untuk penyearah pada Gambar 3.13 ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.15 berikut.
Gambar 3.15 Hubungan faktor daya dan tegangan beban V
L
dengan memakai filter parallel-resonant
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban V
L
untuk metode penyearah pada Gambar 3.13 adalah seperti Gambar 3.16 berikut.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 3.16 Hubungan antara faktor daya dan tegangan beban V
L
dengan memakai filter parallel-resonant
III.6 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode filter parallel resonant.
E
i
= 1.0 pu P
r
= 1.0 pu V
L
= 1.0 pu Beban penyearah adalah 5000 W
1.0 pu, dengan tegangan masuk V
s
= 208 V rms 1.0 pu dan riak tegangan beban 5 dan frekuensi tegangan masuk 60 Hz.
Dari nilai diatas : 1 pu arus =
V P
=
208 5000
= 24,04 Amp
1 pu impedansi =
I V
= 04
, 24
208 =
8,65
1 pu t = 2 f = 377 raddetik
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
1 pu induktansi =
377 65
, 8
= 23 mH
1 pu kapasitansi = 377
65 ,
8 1
x =
306,65 F
Dengan memperhatikan Gambar 3.16 tampak bahwa faktor daya maksimum pada tegangan beban 1,1 pu. Dari Gambar 3.15 untuk daya 1,0 pu pada tegangan beban 1,1
pu diperoleh nilai induktansi L
r
sebesar 0,31 pu.
Jadi nilai filter induktansi sebenarnya, L
r
= 0,31 x 8,65
= 7,13 mH
Sedangkan nilai filter C
r
ditentukan dengan pers. 3.6 yaitu : C
r
=
r
L
2
9 1
ω =
31 ,
1 9
1
2
x x
= 0,3584 pu
Nilai C
r
sebenarnya = 0,3584 x 306,65 =
109,9 F
Dari Gambar 3.16 tampak bahwa nilai tegangan beban V
L
pada faktor daya maksimum
adalah 1,12 pu. Jadi nilai tegangan beban sebenarnya adalah :
V
L
= 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Nilai Z
Lr
diperoleh dari pers.3.7 yaitu : Z
Lr
= 2 L
r
= 2 x 377 x 7,13 x 10
-3
= 5,376
Sementara Z
Cr
dari pers.3.8 menghasilkan :
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
r Cr
C Z
ω
2 1
1 =
=
6
10 9
, 109
377 2
1
−
x x
x Z
Cr
= 12,067
Maka Z
TOT
sesuai pers.3.6
Cr Lr
TOT
Z Z
Z 1
1 1
+ =
= 067
, 12
1 376
, 5
1 +
Z
TOT
= 3,72
Arus riak orde ke-2 keluaran penyearah dihitung dengan persamaan berikut ini : I
o,2
=
L TOT
o L
R Z
V V
+ ∆
− pers.3.9
memberikan I
o,2
= 65
, 8
72 ,
3 7
, 14
96 ,
232 +
−
= 17,64 Amp
04 ,
24 64
, 17
0,734 pu
Nilai filter C
f
dihitung dengan pers.3.2 untuk riak tegangan keluaran 5. C
f
= 2
2 100
2 ,
ripple x
x x
xV xI
Lp o
ω
=
5 1
2 12
, 1
2 734
, 100
x x
x x
x
4,634 pu
Maka nilai C
f
sebenarnya = 4,634x306,65
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
C
f
= 1421 F
BAB IV
SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK KERJA
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
IV.1 SIMULINK SIMULINK SIMUlation and LINK adalah bagian dari program MATLAB dari
