Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Tugas Akhir
STUDI DAN SIMULASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA
PADA MASUKAN PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1)
pada Departemen Teknik Elektro
Oleh :
MALUM AMBARITA NIM : 040 422 030
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
(2)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Lembar Pengesahan
STUDI DAN SIMULASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA
PADA MASUKAN PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Oleh :
MALUM AMBARITA NIM : 040 422 030
Disetujui Oleh, Dosen Pembimbing
Ir. RISWAN DINZI, MT NIP : 131 803 348
Diketahui Oleh,
Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
Ir. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 554
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
(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
ABSTRAK
Dalam tugas akhir ini dibahas metode perbaikan faktor daya pada masukan penyearah satu fasa dioda jembatan (brigde) dengan memakai filter parallel-resonant. Bila dibandingkan dengan penyearah dioda jembatan metode konvensional, penerapan metode filter parallel-resonant menunjukkan bahwa faktor daya masukan penyearah dijaga tetap tinggi sedangkan nilai rating dari komponen reaktif filter dan tekanan arus penyearah lebih kecil. Nilai komponen filter diperoleh dengan perhitungan untuk mendapatkan hasil yang optimal dari unjuk kerja penyearah. Bentuk gelombang dan nilai dari arus dan tegangan penyearah diperoleh dari simulasi komputer menggunakan
SIMULINK. Data yang diperoleh dari simulasi digunakan untuk menghitung
(4)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan kepada Penulis berkat dan karuniaNya kepada penulis kesehatan, ilmu pengetahuan, kecukupan dana dan waktu untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Adapun judul tugas akhir ini adalah “ Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah
Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant.
Tugas akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana di Departeman Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Tugas akhir ini Penulis persembahkan kepada orang tua penulis, A. Ambarita dan B.O Siboro (+) juga kepada Abang, Kakak dan Adikku yang telah memberikan dukungan moral, saran dan materi yang sangat berarti.
Dengan terselesaikannya tugas akhir ini penulis, mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak yang telah memberikan bantuan. Adapun pihak-pihak itu adalah :
1. Bapak Ir. Nasrul Abdi MT, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Rahmad Fauzi ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Ir. Riswan Dinzi MT, selaku Pembimbing Tugas Akhir atas segala bimbingan dan motivasinya.
(5)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
5. Seluruh staf pengajar khususnya konsentrasi Teknik Energi Elektrik Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
6. Semua pegawai pada Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. 7. Rekan-rekan mahasiswa program pendidikan sarjana ekstensi di Departeman
Teknik Elektro angkatan 2004 khususnya Jhon P.M, Marudut Limbong, Sukra Zainuddin dan Rahmad Zulfahri yang telah memberikan bantuan.
8. Semua pihak yang tidak tersebutkan yang turut membantu penyelesaian tugas akhir ini.
Kesempurnaan tiada batas, namun penulis telah melakukan dengan setia setiap usaha yang mungkin untuk memberikan yang terbaik dalam penyusunan tugas akhir ini. Semoga tugas akhir ini bermanfaat.
Medan, Juni 2008
Penulis
Malum AMBARITA
(6)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
DAFTAR ISI
Abstrak ... i
Kata Pengantar ... ii
Daftar Isi ... iv
Daftar Gambar ... vii
Daftar Tabel ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
I.1 Latar belakang ... 1
I.2 Tujuan Penulisan ... 1
I.3 Manfaat Penulisan ... 3
I.4 Batasan Masalah ... 2
I.5 Metodologi penulisan ... 3
I.6 Sistematika penulisan ... 3
BAB II PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN (BRIDGE) ... 5
(7)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
II.1 Umum ... 5
II.2 Dioda Daya ... 6
II.2.1 Karakteristik Dioda ... 6
II.2.2 Tipe Dioda Daya ... 8
II.3 Penyearah satu fasa dioda jembatan ... 8
II.4 Beban non linier dan akibatnya pada jaringan distribusi listrik... 11
II.5 Faktor daya sumber AC ... 12
II.6 Parameter unjuk kerja penyearah ... 14
BAB III PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT ... 16
III.1 Metode konvensional perbaikan faktor daya ... 16
III.2 Menentukan nilai komponen filter pada metode konvensional ... 21
III.3 Contoh disain filter ... 23
III.4 Metode filter parallel-resonant pada penyearah satu fasa dioda jembatan ... 25
III.5 Menentukan nilai komponen filter parallel-resonant ... 27
(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 BAB IV
SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK
KERJA PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN ... 34
IV.1 SIMULINK ... 34
IV.2 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan
metode konvensional... 34
IV.3 Langkah-langkah simulasi metode konvensional ... 35
IV.4 Data hasil simulasi dengan metode konvensional ... 35
IV.5 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan
metode konvensional... 38
IV.6 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan
metode filter parallel-resonant ... 39
IV.7 Langkah-langkah simulasi metode filter parallel-resonant ... 40
IV.8 Data hasil simulasi dengan metode filter parallel-resonant ... 43
IV.9 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan
metode filter parallel-resonant ... 43
BAB V
(9)
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.1 Kesimpulan ... 47
V.2 Saran ... 47
(10)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 ... 6
Gambar 2.2 ... 7
Gambar 2.3 ... 8
Gambar 2.4 ... 9
Gambar 2.5 ... 9
Gambar 2.6 ... 11
Gambar 2.7 ... 13
Gambar 2.8 ... 13
Gambar 3.1 ... 16
Gambar 3.2 ... 17
Gambar 3.3 ... 17
Gambar 3.4 ... 18
Gambar 3.5 ... 19
Gambar 3.6 ... 19
Gambar 3.7 ... 20
Gambar 3.8 ... 21
(11)
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 3.10 ... 22
Gambar 3.11 ... 24
Gambar 3.12 ... 24
Gambar 3.13 ... 28
Gambar 3.14 ... 28
Gambar 3.15 ... 30
Gambar 3.16 ... 31
Gambar 4.1 ... 36
Gambar 4.2 ... 37
Gambar 4.3 ... 37
Gambar 4.4 ... 41
Gambar 4.5 ... 42
(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
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 ... 45
Tabel 4.2 ... 45
Tabel 4.3 ... 46
(13)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Kebutuhan akan pengendalian, pengkondisian dan konversi daya elektrik dari satu bentuk ke bentuk yang lain telah ada sejak lama. Hal ini terus meningkat yang diukur dalam kapasitas daya, kecepatan proses yang tinggi dan biaya yang rendah. Teknologi elektronika daya memungkinkan hal ini untuk dicapai. Salah satu bentuk konversi daya elektrik adalah pengubahan tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC) menggunakan penyearah (rectifier) satu fasa dioda jembatan.
Kinerja penyearah dinyatakan dalam parameter-parameter unjuk kerja. Unjuk kerja penyearah satu fasa dengan metode konvensional biasanya rendah, tapi dapat diperbaiki dengan menambahkan filter kapasitif-induktif yang terhubung paralel (parallel-resonant) pada sisi masukan penyearah. Nilai dari komponen filter LC ditentukan dengan perhitungan untuk mendapatkan unjuk kerja yang optimal dari penyearah.
Uji coba dengan simulasi komputer pada beberapa jenis pembebanan dilakukan untuk mendapatkan bentuk gelombang dan nilai dari arus dan tegangan untuk menunjukkan perbaikan unjuk kerja penyearah.
(14)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Adapun manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Untuk menentukan sifat dan karakterisrik pada keadaan tunak (steady state) dari penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant.
2. Untuk menentukan nilai komponen filter yang sesuai agar diperoleh hasil yang optimal dari parameter-parameter unjuk kerja penyearah.
3. Untuk membuat simulasi komputer dengan SIMULINK dari penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant pada beberapa variasi nilai beban .
I.3 Manfaat Penulisan
Adapun manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Diharapkan tulisan ini bermanfaat bagi penulis, serta orang yang berminat membaca tulisan ini.
2. Juga bermanfaat bagi masyarakat khususnya industri yang membahas hal yang sama
I.4 Batasan Masalah
Tulisan ini hanya membahas permasalahan yang mencakup tentang :
1. Bagaimana sifat dan karakterisrik pada keadaan tunak (steady state) dari penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant.
(15)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
2. Bagaimana menentukan nilai komponen filter yang sesuai agar diperoleh hasil yang optimal dari parameter-parameter unjuk kerja penyearah.
3. Bagaimana membuat simulasi komputer dengan SIMULINK dari penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyerah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant pada beberapa variasi nilai beban.
I.5 Metodologi Penulisan
Studi dan simulasi perbaikan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant ini dilakukan Penulis dengan memakai berbagai cara agar dapat ditunjukkan parameter perbaikan unjuk kerja penyearah. Adapun cara yang dilakukan adalah :
1. Melakukan suatu studi literatur (kepustakaan) melalui sejumlah artikel dan buku – buku yang berhubungan dengan topik yang dibahas.
2. Konsultasi dengan Dosen Pembimbing.
3. Membuat simulasi komputer dengan SIMULINK untuk mendapatkan nilai-nilai dan bentuk gelombang dari arus, tegangan dan daya sebagai pengganti
percobaan laboratorium
I.6 Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :
(16)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang, tujuan
penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan
sistematika penulisan.
BAB II : PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
Bab ini menjelaskan tentang dioda, penyearah satu fasa dioda jembatan secara
umum, parameter-parameter unjuk kerja dari penyearah.
BAB III : PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN DENGAN
MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Bab ini menjelaskan tentang penyearah satu fasa dioda jembatan dengan metode konvensional dan dengan metode filter parallel-resonant serta menentukan nilai komponen filter yang digunakan untuk metode konvensional dan metode filter
parallel-resonant.
BAB IV. SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK KERJA
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN.
Bab ini berisi tentang gambar rangkaian simulasi komputer dengan SIMULINK untuk penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant. Dari simulasi ini diperoleh bentuk gelombang dan nilai arus dan tegangan untuk perhitungan parameter-parameter unjuk kerja penyearah.
(17)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Bab ini berisi kesimpulan dan saran tugas akhir ini.
BAB II
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN (BRIDGE)
II.1 Umum
Sebuah penyearah (Rectifier) mengacu pada proses pengubahan sinyal bolak-balik (AC) menjadi sinyal searah (DC) menggunakan dioda daya. Tujuan dari suatu penyearahan adalah menghasilkan suatu keluaran yang mendekati searah (DC) atau menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang mengandung komponen DC dengan spesifikasi tertentu. Berdasarkan jumlah dioda yang digunakan, ada tiga jenis penyearah satu fasa dioda, yaitu :
1. Penyearah satu fasa dioda setengah gelombang
2. Penyearah satu fasa dioda gelombang penuh dengan transformator tap tengah (center-tapped)
3. Penyearah satu fasa dioda gelombang penuh jembatan
Dari ketiga jenis penyearah satu fasa dioda, yang umum digunakan adalah penyearah satu fasa dioda jembatan (bridge). Hal ini disebabkan karena penyearah satu fasa setengah gelombang mengandung persentase riak yang besar, efisiensi yang rendah dan faktor penggunaan transformator yang rendah. Keuntungan lain pemakaian
(18)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
penyearah satu fasa dioda gelombang penuh jembatan dibandingkan dengan penyearah satu fasa gelombang penuh dengan transformator tap tengah adalah berkurangnya tegangan puncak balik (peak inverse voltage) tiap dioda dan meningkatnya faktor penggunaan transformator pencatu penyearah.
Istilah jembatan mengacu pada kesamaan bentuk hubungan dioda yang digunakan pada rangkaian dasar jembatan. Kualitas penyearah satu fasa dioda jembatan diukur dengan parameter-parameter penyearahan.
II.2 Dioda Daya
Dioda daya adalah komponen penting dalam rangkaian penyearah. Pada suatu penyearah, sebuah dioda berperan sebagai suatu saklar. Agar mudah, dioda biasanya dianggap ideal, artinya jatuh tegangan maju (forward voltage drop) dan waktu pemulihan mundur (reverse recovery time) diabaikan.
II.2.1 Karakteristik Dioda
Sebuah dioda daya adalah mirip dengan dioda sinyal yang terdiri komponen sambungan-pn (pn-junction) dua terminal. Dibandingkan dioda sinyal, dioda daya memiliki daya yang besar, kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih besar dibandingkan dengan dioda sinyal. Simbol dioda dan penampang sebagian dari sebuah sambungan-pn ditunjukkan pada Gambar 2.1.
(19)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
p n
v
v
katoda
anoda anoda katoda
-+ +
-i
i
(a) Sambungan-pn (b) Simbol dioda
Gambar 2.1 Sambungan-pn dan simbol dioda
Bila potensial anoda lebih positip terhadap katoda maka dioda terbias maju dan terkonduksi. Dalam kondisi ini dioda memiliki jatuh tegangan maju yang kecil dimana besarnya tergantung proses manufakturnya dan temperatur sambungan. Ketika potensial katoda lebih positip terhadap anoda, dioda dikatakan terbias mundur. Pada kondisi ini, sebuah arus mundur kecil (disebut juga arus bocor) dalam rentang mikro atau mili ampere mengalir dan arus bocor ini akan bertambah secara perlahan sesuai dengan peningkatan tegangan zener atau tegangan avalanche tercapai. Gambar 2.2 menunjukkan karakteristik dioda secara ideal dan praktek.
Dari karakteristik tersebut :
ID = Arus yang melalui dioda
VD = Tegangan dioda dengan anoda positip terhadap katoda
(20)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009 Arus Bocor mundur
o -VBR
o
VD
ID
i
i
v
v
(a) Karakteristik Praktek (b) Karakteristik Ideal
Gambar 2.2 Karakteristik v-i dioda
II.2.2 Tipe Dioda Daya
Beberapa tipe dioda daya berdasarkan teknik pembuatannya adalah :
1. Dioda standar atau dioda serbaguna
Sebuah dioda serbaguna mencakup tingkat arus mulai kurang dari satu ampere sampai beberapa ribu ampere, dengan tingkat tegangan antara 50 volt sampai sekitar 5 kV.
2. Dioda pemulihan cepat
Dioda ini mencakup tingkat arus mulai kurang dari satu ampere sampai ratusan ampere dengan tingkat tegangan mulai 50 volt sampai 3 kV.
(21)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Sebuah dioda Schottky memiliki tegangan jatuh maju yang relatif kecil. Tingkat arus dioda ini bervariasi dari 1 sampai 300 ampere dengan tegangan maksimum biasanya hanya 100 volt. Beberapa gambar dioda ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Beberapa contoh dioda
II.3 Penyearah satu fasa dioda jembatan
Keunggulan utama dari penyearah satu fasa dioda jembatan dibandingkan dengan jenis penyearah yang lain adalah turunnya tegangan puncak balik (peak inverse
voltage) dari tiap dioda dan meningkatnya faktor utilisasi dari transformator catu.
Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Vp Vs
D4 D2
D3
D1
Vo
+
io
-A
B is
Cf
Beban
(22)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
2
π
ω
t
ω
t
2
π
π
π
0 0
V
mV
sV
oV
mGambar 2.5 Bentuk gelombang tegangan masukan (bagian atas),
bentuk gelombang tegangan keluaran (bagian bawah).
Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut.
Bila terminal A sekunder transformator positip terhadap terminal B, arus mulai mengalir dari terminal A, lewat dioda-1, beban tahanan, dioda-2 dan menuju terminal B. Sebaliknya bila terminal B sekunder transformator positip terhadap terminal A, arus mengalir dari terminal B, lewat dioda-3, beban tahanan, dioda-4 dan menuju terminal A. Jadi pada setiap setengah siklus, rangkaian menyediakan jalan untuk aliran arus pada arah alternatif melalui catu, tapi pada arah yang sama melalui beban. Bentuk gelombang tegangan masukan dan keluaran penyearah satu fasa dioda jembatan untuk beban resistif ditunjukkan pada Gambar 2.5.
(23)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Suatu kapasitor Cf ditempatkan pada sisi keluaran penyearah pada Gambar 2.4.
Misalkan kapasitor awalnya tidak bermuatan dan kemudian rangkaian dienergi (energized) pada t = 0 dan dioda terbias maju pada saat sumber positip. Bersamaan dengan dioda yang konduksi (on), tegangan keluaran sama dengan tegangan sumber dan kapasitor dimuati (charges). Kapasitor dimuati sampai bernilai Vm pada saat tegangan
masukan mencapai nilai puncak positip pada t = /2. Pada saat tegangan sumber mulai
turun setelah t = /2, kapasitor melepas muatan (discharges) ke beban. Pada saat
bersamaan tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan keluaran, membuat dioda terbias mundur dan mengisolasi beban dari sumber. Bersamaan dengan dioda off, tegangan keluaran meluruh (decaying) secara eksponensial dengan konstanta waktu RC dari kapasitor.
Jadi dengan menempatkan kapasitor pada sisi keluaran penyearah, tegangan keluaran penyearah tidak pernah bernilai nol sehingga mengurangi riak tegangan keluaran penyearah. Bentuk gelombang keluaran menjadi seperti Gambar 2.6
2π π
0
Vo
Vm
ωπ ∆vo
π/2
Gambar 2.6 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan filter kapasitor.
Besarnya Vo dihitung dengan pers. (2.1) yaitu,
(24)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
II.4 Beban non linier dan akibatnya pada jaringan distribusi listrik
Penyearah dioda frekuensi jala-jala (line frequency) mengubah tegangan masukan bolak-balik menjadi tegangan keluaran searah. Bentuk gelombang arus jala-jala tergantung pada jenis beban yang dicatu penyearah. Beban penyearah satu fasa umumnya adalah peralatan elektronik seperti televisi, peralatan kantor, battery charger,
electronic ballasts sampai pemakaian di industri untuk tingkatan daya rendah.
Secara umum beban adalah bersifat non linier, sehingga akan menghasilkan bentuk gelombang arus jala-jala yang tidak sinusoidal, sedangkan beban membutuhkan suatu catu tegangan dengan kandungan riak (ripple) yang rendah. Bentuk gelombang yang tajam (narrow) dari arus jala-jala akan mengurangi unjuk kerja dari penyearah. Beberapa akibatnya adalah kandungan harmonisa yang tinggi, faktor daya yang rendah, pemanasan berlebihan pada peralatan, rugi-rugi bertambah, dan distorsi tegangan jala-jala melalui impedansi jala-jala-jala-jala. Adanya distorsi tegangan jala-jala-jala-jala akan mempengaruhi beban lain yang terhubung ke jaringan distribusi listrik.
II.5 Faktor daya sumber AC
Memperbaiki bentuk gelombang dari arus jala-jala dibutuhkan untuk mengurangi harmonisa arus jala-jala, dengan demikian akan memperbaiki faktor daya masukan penyearah. Ada beberapa cara untuk memperbaiki faktor daya penyearah satu fasa dioda jembatan, yaitu metode pasif dan metode aktif. Metode aktif adalah memakai saklar aktif (yang diatur dengan pengendali luar) bersamaan dengan komponen reaktif untuk meningkatkan keefektipan bentuk gelombang arus jala-jala dan menghasilkan tegangan keluaran yang dapat dikendalikan. Metode pasif adalah penambahan elemen
(25)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
pasif (kapasitor dan induktor) pada rangkaian dioda penyearah jembatan untuk memperbaiki bentuk gelombang arus jala-jala tanpa dapat mengatur nilai tegangan keluaran penyearah.
Faktor daya, PF, diartikan sebagai perbandingan antara daya aktif (active power) P dengan daya semu (apparent power) S.
PF = S P = VA Watt (pers.2.2)
Arus dan tegangan pada masukan penyearah diharapkan sefasa untuk mendapatkan faktor daya satu (unity power factor). Induktor dengan nilai tertentu yang dipasang pada masukan penyearah diperlukan untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan penyearah, namun induktor ini akan menyebabkan arus tertinggal (lagging) terhadap tegangan. Induktor akan menyebabkan daya reaktif tertinggal (lagging VAR) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7(a). Semakin besar daya reaktif tertinggal akan menyebabkan sudut L semakin besar sehingga VA masukan penyearah juga bertambah
besar. Dari pers. 2.2 diatas semakin besar VA masukan penyearah maka faktor daya masukan penyearah akan semakin kecil.
VA V Watt
f
Lf
C VAR VAR Watt VA V I I(a) (b)
(26)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Untuk memperkecil VA maka daya reaktif tertinggal harus dikurangi dengan memasang kapasitor pada masukan penyearah. Suatu kapasitor akan menyebabkan daya reaktif mendahului (leading VAR) seperti pada Gambar 2.7(b). Semakin besar sudut C maka
semakin besar pula daya reaktif mendahului. Jadi, pada masukan penyearah dengan memasang induktor akan memperbaiki bentuk gelombang arus masukan dan pemasangan kapasitor akan mengurangi daya reaktif tertinggal sebagai akibat pemasangan induktor tersebut seperti tampak pada Gambar 2.8 berikut.
VAR Capasitive
VA
1VA
2VAR
1VAR
2f
1f
2Gambar 2.8 Vektor diagram untuk perbaikan faktor daya.
Dari Gambar 2.8 tampak bahwa VA1 akan lebih kecil dari VA2 karena VAR1 sudah
berkurang sebesar VAR capasitive menjadi VAR2 setelah pemasangan kapasitor.
Dengan demikian akan memperbesar faktor daya (PF) masukan penyearah.
II.6 Parameter Unjuk Kerja Penyearah
Meskipun tegangan keluaran penyearah pada Gambar 2.5 adalah searah (DC), bentuknya tidak kontinu (karena tegangan keluaran pernah bernilai nol) dan efisiensi
(27)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
penyearahan yang rendah. Kualitas pemrosesan daya penyearah memerlukan arus masukan, arus keluaran dan tegangan keluran. Parameter-parameter unjuk kerja suatu penyerah dihitung sebagai berikut:
Nilai rata-rata tegangan keluaran, VDC
Nilai rata-rata arus keluaran, IDC
Keluaran daya DC, PDC = VDC IDC (pers. 2.3)
Nilai rms tegangan keluaran, Vrms
Nilai rms arus keluaran, Irms
Daya keluaran AC, PAC = Vrms Irms (pers.2.4)
Efisiensi sebuah penyearah, = AC DC
P P
(pers.2.5)
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran adalah :
VAC = Vrms2 −VDC2 (pers.2.6)
Faktor bentuk (Form Factor, FF) yang mengukur bentuk tegangan keluaran.
FF = DC rms V V (pers.2.7)
Faktor riak (Ripple Factor, RF) yang mengukur kandungan riak.
RF = DC AC V V (pers.2.8)
Faktor penggunaan transformator, (Transformer Utilization Factor, TUF)
TUF = s s DC I V P (pers.2.9)
Dengan VsIs adalah nilai rms dari tegangan dan arus transformator.
(28)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
PF = Cosϕ
I V
I V
S S
S
S 1 (pers.2.10)
dengan VS adalah nilai efektif tegangan masukan
IS1 adalah nilai efektif komponen dasar arus saluran
IS adalah nilai efektif arus saluran non sinusoidal
Cos adalah sudut pergeseran antara arus dan tegangan
BAB III
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
(29)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
III.1 Metode konvensional perbaikan faktor daya
Penyearah pada Gambar 2.4 mengandung arus yang non sinusoidal karena beban penyearah yang non linier. Tegangan hasil penyearahan mengandung riak yang besar. Untuk mencapai kandungan riak yang rendah dapat dilakukan dengan penambahan kapasitor Cf pada sisi keluaran penyearah yang bernilai besar, seperti tampak pada
Gambar 3.1.
Vp Vs
D4 D2
D3 D1
Vo
+
io
-A
B is
Cf
Beban
Gambar 3.1 Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter kapasitor Cf
Dengan memakai kapasitor Cf bernilai besar, interval konduksi dari dioda
penyearah menjadi pendek tetapi arus jala-jala mengandung bentuk gelombang yang tajam (narrow). Misalkan pada Gambar 3.1 diatas nilai VS = 230 Volt dan beban 200
Watt dengan nilai filter Cf = 470 F maka bentuk gelombang arus jala-jala (masukan)
tampak pada Gambar 3.2 sedangkan bentuk gelombang tegangan keluaran tampak seperti pada Gambar 3.3.
(30)
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 3.2 Bentuk gelombang arus masukan dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 470 F dari Gambar 3.1.
Gambar 3.3 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 470 F dari Gambar 3.1.
Cara mudah untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan, tanpa komponen tambahan adalah dengan menggunakan kapasitor Cf bernilai yang lebih
(31)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
rendah pada sisi keluaran. Bila hal ini dilakukan, riak tegangan keluaran bertambah dan interval konduksi dioda penyearah bertambah. Misalkan pada Gambar 3.1 diatas nilai VS = 230 Volt dan beban 200 Watt dengan memakai filter kapasitor yang bernilai lebih
kecil, yaitu Cf = 68 F maka bentuk gelombang arus masukan tampak pada Gambar 3.4
sedangkan bentuk gelombang tegangan keluaran tampak pada Gambar 3.5.
Gambar 3.4 Bentuk gelombang arus masukan dengan VS = 230 Volt,
(32)
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 VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 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
4D
2D
3D
1R
LV
LI
LIs
C
fL
fI
o(33)
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 VS = 230 Volt, beban resistansi
R = 500 , filter Cf = 470 F dan filter Lf = 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 VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 F dan Lf = 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
(34)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
VS= 230 Volt, beban resistansi R = 500 , filter Cf = 470 F dan filter Lf = 130 mH,
bentuk gelombang arus dan tegangan masukan tampak pada Gambar 3.9.
Vs
D4 D2
D3
D1
RL VL
IL
Is
Cf
Lf I
o
(35)
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 VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 F dan Lf = 130 mH
Jadi, dengan memakai filter induktansi Lf yang nilainya besar (dengan metode
konvensional maupun metode standar), arus induktor akan kontinu namun gelombang arus masukan sistem Is akan berbentuk persegi (square shape) seperti pada Gambar 3.7.
Dengan metode konvensional maupun standar untuk VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf =
470 F dan Lf = 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.
(36)
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 Lf bernilai rendah arus masukan sistem Is akan beroperasi
pada mode diskontinu karena arus masukan akan bernilai nol sebelum t = . Untuk
nilai Lf 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 Lf yang
rendah untuk metode konvensional (bagian atas) dan metode standar (bagian bawah) Arus masukan Is mengandung komponen harmonisa ketiga dengan besaran yang patut
dipertimbangkan, karena hal ini adalah penyebab utama rendahnya faktor daya masukan penyearah. Dari hasil simulasi untuk VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 F dan Lf =
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 Is untuk memperbaiki faktor daya masukan. Dengan kata lain, suatu
(37)
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 :
IDC =
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 Vs dianggap ideal
2. Rugi-rugi induktor Lf, rangkaian jembatan dan kapasitor Cf dianggap tidak ada.
3. Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya.
Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan Ei, tegangan keluaran VL dan daya keluaran
Po dinyatakan dalam per unit (pu).
Hubungan antara tegangan keluaran VL, nilai induktor Lf dan daya keluaran Pr
(38)
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 Lf, daya beban Pr dan tegangan beban VL untuk
metode konvensional
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban VL untuk
metode penyearah pada Gambar 3.6 adalah seperti Gambar 3.12 berikut.
Gambar 3.12 Hubungan faktor daya dan tegangan beban VL dengan metode
Konvensional
Dari grafik pada Gambar 3.11 dan Gambar 3.12 tampak bahwa nilai filter Li pada faktor
daya masukan maksimum untuk beban 1.0 pu adalah 0.1 pu. Nilai komponen filter Cf ditentukan dengan rumus :
(39)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Cf =
%) (
2 2
100 ,2
ripple x x x xV xI p L o ω pers.(3.2)
Pada pers.3.2 diatas, nilai Io2, VL, dan dinyatakan dalam per unit.
Nilai VLp pada pers. (3.2) diatas ditentukan dari Gambar 3.12.
Sedangkan nilai Io,2 adalah arus riak untuk frekuensi 2f (120 Hz) yang besarnya adalah :
Io,2 =
2
Z V Vm −∆ o
pers.(3.3)
Nilai Vo diperoleh dari pers.(2.1) sedangkan nilai Z2 adalah impedansi untuk
harmonisa orde ke-2 yang besarnya :
Z2 = R2 +(2ωL)2 (pers.3.4)
III.3 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode konvensional.
Ei = 1.0 pu
Pr = 1.0 pu
VL = 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
(40)
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 : Lf = 0,1 x 23 mH
= 2,3 mH
Masih dari Gambar 3.12, untuk faktor daya maksimum maka tegangan keluaran VL
(DC) adalah sekitar 1,12 pu.
Maka nilai tegangan VL = 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Untuk riak tegangan keluaran 5% maka Vo dihitung dengan pers. (2.1)
Vo = 0,05 x 2 x 208
= 14,7 Volt
Nilai impedansi Z2 dihitung dengan pers.(3.4)
Z2 = R2 +(2ωL)2
= 8,652 +(2x377x2,3x10−3)2
= 8,822
(41)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Io,2 =
2
Z V Vm −∆ o
= 822 , 8 7 , 14 208
2x −
= 31,67 Amp 1,317 pu Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2)
Cf =
%) (
2 2
100 ,2
ripple x x x xV xI Lp o ω
2 1,12 2 1 5
317 , 1 100 x x x x x
= 8,31 pu
Maka nilai Cf 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 VS =
230 Volt, beban resistansi RL = 500 ohm, filter Cf = 470 F dan filter Lr = 240 mH
serta Cr = 4.7 F bentuk gelombang arus masukan penyearah adalah seperti pada
(42)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Vs
D4 D2
D3 D1
RL VL
IL Is
Cf Lr
Cr
Io
Gambar 3.13 Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan filter parallel-resonant
(43)
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 :
3XLr =
3 Cr
X
atau Cr =
r
L
2
9 1
ω (pers.3.5)
Impedansi total dari rangkaian, ZTOT 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 :
ZLr= 2 Lr (pers.3.7)
ZCr =
r C ω 2 1 (pers.3.8)
(44)
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 Vs dianggap ideal
2. Rugi-rugi dari induktor Li, rangkaian jembatan dan kapasitor Cf dianggap tidak
ada.
3. Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya.
Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan Vs, tegangan keluaran VL dan daya
keluaran Po dinyatakan dalam per unit (pu).
Hubungan antara tegangan keluaran VL, nilai induktor Lr dan daya keluaran Pr untuk
penyearah pada Gambar 3.13 ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.15 berikut.
Gambar 3.15 Hubungan faktor daya dan tegangan beban VL dengan memakai filter
parallel-resonant
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban VL untuk
(45)
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 VL dengan memakai
filter parallel-resonant
III.6 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode filter
parallel resonant.
Ei = 1.0 pu
Pr = 1.0 pu
VL = 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
(46)
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 Lr sebesar 0,31 pu.
Jadi nilai filter induktansi sebenarnya, Lr = 0,31 x 8,65
= 7,13 mH Sedangkan nilai filter Cr ditentukan dengan pers. 3.6 yaitu :
Cr =
r
L
2
9 1
ω = 9 1 0,31 1 2
x x
= 0,3584 pu Nilai Cr sebenarnya = 0,3584 x 306,65
= 109,9 F
Dari Gambar 3.16 tampak bahwa nilai tegangan beban VL pada faktor daya maksimum
adalah 1,12 pu. Jadi nilai tegangan beban sebenarnya adalah : VL = 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Nilai ZLr diperoleh dari pers.(3.7) yaitu :
ZLr = 2 Lr = 2 x 377 x 7,13 x 10-3
= 5,376
(47)
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 2ω 1 1
=
= 6
10 9 , 109 377 2 1 − x x x
ZCr = 12,067
Maka ZTOT sesuai pers.(3.6)
Cr Lr
TOT Z Z
Z 1 1 1 + = = 067 , 12 1 376 , 5 1 +
ZTOT = 3,72
Arus riak orde ke-2 keluaran penyearah dihitung dengan persamaan berikut ini :
Io,2 =
L TOT o L R Z V V +∆
− (pers.3.9)
memberikan Io,2 =
65 , 8 72 , 3 7 , 14 96 , 232 +−
= 17,64 Amp
04 , 24 64 , 17 0,734 pu
Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2) untuk riak tegangan keluaran 5%.
Cf =
%) (
2 2
100 ,2
ripple x x x xV xI Lp o ω = 5 1 2 12 , 1 2 734 , 0 100 x x x x x 4,634 pu
(48)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Cf = 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 MATHWORKS INC. SIMULINK adalah suatu sistem interaktif untuk mensimulasikan
sistem dinamik. Program ini dapat memodelkan suatu sistem dengan menggambarkan blok diagram atau rangkaian pada layar komputer dan mensimulasikan dinamikanya.
SIMULINK dapat bekerja dengan sistem yang bersifat linier, non linier, continuous -time, descrete--time, multirate dan sistem hibrida.
IV.2 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan metode
konvensional
Gambar lengkap simulasi dengan SIMULINK untuk penyearah satu fasa dioda jembatan dengan metode konvensional untuk beban 1,0 pu ditunjukkan pada Gambar 4.1. Nilai komponen filter dibuat sesuai dengan hasil yang diperoleh pada BAB III yaitu: Resistansi beban R = 8,65
(49)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Induktansi Lf = 2,3 mH
Kapasitansi Cf = 2549,48 F
Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan ditunjukkan pada Gambar 4.2 dan bentuk gelombang arus dan tegangan keluaran penyearah ditunjukkan pada Gambar 4.3.
IV.3 Langkah-langkah simulasi metode konvensional
1. Buat rangkaian percobaan dalam SIMULINK seperti Gambar 4.1.
2. Tentukan nilai tegangan sumber, komponen filter Lf dan Cf serta beban R
sebagai berikut :
• Tegangan sumber = 208 Volt, Frekuensi 60 Hz
• Beban R = 8,65 1,0 pu
• Nilai Lf = 2,3 mH
• Nilai Cf= 2549,48 F
3. Tentukan waktu simulasi selama 0,1 detik. 4. Start simulasi
5. Tampilkan scope bentuk gelombang arus dan tegangan masukan dan keluaran hasil penyearah.
6. Catat nilai arus, tegangan, VA meter, Watt meter dan Vars meter. 7. Tukar nilai beban R menjadi 4,325 0,5 pu, 12,975 1,5 pu dan
17,3 2,0 pu.
(50)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
IV.4 Data hasil simulasi dengan metode konvensional
Data hasil simulasi untuk tiap nilai R yang berbeda selengkapnya terdapat pada Tabel 4.1.
(51)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(52)
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 4.2 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) masukan penyearah
satu fasa dioda jembatan metode konvensional dengan beban 1,0 pu.
Gambar 4.3 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) keluaran penyearah
(53)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
IV.5 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode
konvensional
Dari data pada Tabel 4.1 dihitung unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional. Perhitungan dilakukan untuk data beban 1,0 pu.
Keluaran daya DC, PDC dihitung dengan pers.(2.3)
PDC = VDC(out) IDC(out) = 27,12 x 234,46
= 6358,55 Watt
Keluaran daya AC, PAC dihitung dengan pers.(2.4)
PAC = VRMS(out) IRMS(out) = 235 x 27,17
= 6384,95 Watt
Efisiensi penyearah dihitung dengan pers.(2.5) =
AC DC
P P
= 100%
6459 6362
x
= 98,49 %
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan pers.(2.6).
VAC = VRMS2 −VDC2 =
2 2 46 . 234 235 −
= 15,921 Volt
Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7) FF = DC RMS V V = 46 , 234 235 = 1,002
(54)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8) RF = DC AC V V = 46 , 234 921 , 15
= 0,0679 atau 6,79 %
Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9) TUF = S S DC I V P = 56 , 39 208 6362 x
= 0,773
Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2) PF = in in S P = 8228 6459 = 0,785
Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional selengkapnya terdapat pada Tabel 4.3.
IV.6 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan metode
filter parallel-resonant.
Gambar lengkap simulasi dengan SIMULINK untuk penyearah satu fasa dioda jembatan dengan metode filter parallel-resonant untuk beban 1,0 pu ditunjukkan pada Gambar 4.4. Nilai komponen filter dibuat sesuai dengan hasil yang diperoleh pada BAB III yaitu:
(55)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Induktansi Lr = 7,13 mH
Kapasitansi Cr = 109,9 F
Kapasitnasi Cf = 1421 F
Sedangkan bentuk gelombang arus dan tegangan masukan penyearah ditunjukkan pada Gambar 4.5 dan bentuk gelombang arus dan tegangan keluaran penyearah ditunjukkan pada Gambar 4.6.
IV.7 Langkah-langkah simulasi metode filter parallel-resonant
1. Buat rangkaian percobaan dalam SIMULINK seperti Gambar 4.4.
2. Tentukan nilai tegangan sumber, komponen filter parallel-resonant (Lr dan Cr)
dan filter Cf serta beban R sebagai berikut :
• Tegangan sumber = 208 Volt ; frekuensi 60 Hz
• Beban R = 8,65 1,0 pu
• Nilai Lr = 7,13 mH
• Nilai Cr= 109,9 F
• Nilai Cf = 1421 F
3. Tentukan waktu simulasi selama 0,1 detik. 4. Start simulasi
5. Tampilkan scope bentuk gelombang arus dan tegangan masukan dan keluaran hasil penyearah.
6. Catat nilai arus, tegangan, VA meter, Watt meter dan Vars meter. 7. Tukar nilai beban R menjadi 4,325 0,5 pu, 12,975 1,5 pu dan
(56)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009 17,3 2,0 pu.
(57)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(58)
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 4.5 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) masukan penyearah
satu fasa metode filter parallel-resonant dengan beban 1,0 pu.
(59)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
satu fasa metode filter parallel-resonant dengan beban 1,0 pu.
IV.8 Data hasil simulasi dengan metode filter parallel-resonant
Data hasil simulasi untuk tiap nilai R yang berbeda selengkapnya terdapat pada Tabel 4.2.
IV.9 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode
filter parallel-resonant.
Dari data pada Tabel 4.2 dihitung unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional. Perhitungan dilakukan untuk data beban 1,0 pu.
Keluaran daya DC, PDC dihitung dengan pers.(2.3)
PDC = VDC(out) IDC(out) = 232,7 x 26,9
= 6259,63 Watt
Keluaran daya AC, PAC dihitung dengan pers.(2.4)
PAC = VRMS(out) IRMS(out) = 233,1 x 26,95
= 6282,04 Watt
Efisiensi penyearah dihitung dengan pers.(2.5) =
AC DC
P P
= 100%
6281 6260
x
= 99,66 %
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan pers.(2.6).
(60)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
VAC = VRMS2 −VDC2 = 233,12 −232,72
= 13,65 Volt
Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7) FF = DC RMS V V = 7 , 232 1 , 233 = 1,001
Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8) RF = DC AC V V = 7 , 232 65 , 13
= 0,0586 atau 5,86 %
Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9) TUF = S S DC I V P = 8 , 31 208 6260 x = 0,9464
Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2) PF = in in S P = 6615 6340 = 0,958
Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode filter parallel-resonant selengkapnya terdapat pada Tabel 4.4.
(61)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(62)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(63)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(64)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1 Kesimpulan
1. Dengan metode filter parallel-resonant, nilai arus masukan penyearah lebih kecil dibandingkan dengan metode konvensional.
2. Nilai komponen reaktif filter lebih kecil pada metode filter parallel-resonant dibandingkan pada metode konvensional.
3. Faktor daya pada masukan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant lebih besar (>0,84) dibandingkan dengan faktor daya masukan penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional (< 0,79). 4. Kandungan riak (ripple) tegangan keluaran penyearah dengan metode filter
parallel-resonant lebih kecil (2,89%<RF<10,53%) dibandingkan dengan metode
konvensional (4,0% <RF< 10,56%).
V.2 Saran
1. Untuk mendapatkan hasil studi yang lebih baik, disarankan analisa keadaan peralihan (transient) dari penyearah.
2. Percobaan laboratorium sebaiknya dilakukan untuk perbandingan dengan hasil simulasi dengan SIMULINK.
(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
Daftar Pustaka
1. A. R. Prasad, P. D. Ziogas, and S. Manias,” A Novel Passive Waveshaping Method for Single-Phase Diode Rectifiers “, IEEE Trans. on Industrial Electronic, Vol. 37, no. 6, pp.521-530, Dec. 1990.
2. B. L. Theraja, A. K. Theraja, A Text Book Of Electrical Technology, Vol. I, New Delhi : S.CHAND & COMPANY LTD, 1994.
3. Daniel. W. Hart, Introduction To Power Electronics, Upper Saddle Rivers, NJ : Prentice-Hall, Inc., 1997.
4. M. H. Rashid, Power Electronics : Circuits, Devices, and Applications, Upper Saddle Rivers, NJ : Prentice-Hall, Inc., 3rd ed., 2004.
5. SIMULINK Release 14 Source, MATHWORK INC, 2005.
6. V. Grigore, “ Topological Issues in Single-Phase Power Factor Correction ”, D.Sc Dissertation, Helsinki University of Technology, Nov. 2001.
(1)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
VAC = VRMS2 −VDC2 = 233,12 −232,72 = 13,65 Volt
Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7) FF = DC RMS V V = 7 , 232 1 , 233 = 1,001
Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8) RF = DC AC V V = 7 , 232 65 , 13
= 0,0586 atau 5,86 %
Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9) TUF = S S DC I V P = 8 , 31 208 6260 x = 0,9464
Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2) PF = in in S P = 6615 6340 = 0,958
Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode filter parallel-resonant selengkapnya terdapat pada Tabel 4.4.
(2)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(3)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(4)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
(5)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1 Kesimpulan
1. Dengan metode filter parallel-resonant, nilai arus masukan penyearah lebih kecil dibandingkan dengan metode konvensional.
2. Nilai komponen reaktif filter lebih kecil pada metode filter parallel-resonant dibandingkan pada metode konvensional.
3. Faktor daya pada masukan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant lebih besar (>0,84) dibandingkan dengan faktor daya masukan penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional (< 0,79). 4. Kandungan riak (ripple) tegangan keluaran penyearah dengan metode filter
parallel-resonant lebih kecil (2,89%<RF<10,53%) dibandingkan dengan metode konvensional (4,0% <RF< 10,56%).
V.2 Saran
1. Untuk mendapatkan hasil studi yang lebih baik, disarankan analisa keadaan peralihan (transient) dari penyearah.
2. Percobaan laboratorium sebaiknya dilakukan untuk perbandingan dengan hasil simulasi dengan SIMULINK.
(6)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008.
USU Repository © 2009
Daftar Pustaka
1. A. R. Prasad, P. D. Ziogas, and S. Manias,” A Novel Passive Waveshaping
Method for Single-Phase Diode Rectifiers “, IEEE Trans. on Industrial Electronic, Vol. 37, no. 6, pp.521-530, Dec. 1990.
2. B. L. Theraja, A. K. Theraja, A Text Book Of Electrical Technology, Vol. I, New Delhi : S.CHAND & COMPANY LTD, 1994.
3. Daniel. W. Hart, Introduction To Power Electronics, Upper Saddle Rivers, NJ : Prentice-Hall, Inc., 1997.
4. M. H. Rashid, Power Electronics : Circuits, Devices, and Applications, Upper Saddle Rivers, NJ : Prentice-Hall, Inc., 3rd ed., 2004.
5. SIMULINK Release 14 Source, MATHWORK INC, 2005.
6. V. Grigore, “ Topological Issues in Single-Phase Power Factor Correction ”,
D.Sc Dissertation, Helsinki University of Technology, Nov. 2001.