Sinar Terang Sembiring dan Golfrid Gultom

  

Perbaikan Faktor Ripple, Faktor Daya dan Efisiensi Penyearah

Satu Fasa Dioda Gelombang Penuh Dengan Menggunakan

Filter Input Paralel Pada Sisi Masukan

  

Sinar Terang Sembiring dan Golfrid Gultom

ABSTRACT

  In this research shown a design and simulation using Matlab-Simulink of a

paralel input filter for full wave single phase rectifier to make improvement for ripple

factor and power factor using paralel input filter. By using Matlab-Simulink, ripple

factor and power factor will be analyzed in a single phase full wave diode rectifier.

Rectifier using a capacitor filter on the output side will result the ripple factor

8,56% , power factor 56,98% and efficiency 98,61%. Rectifier filter design using

inductor filter (conventional method) result the ripple factor 6,33%, power factor

78,36% and efficiency 99,18%. Rectifier filter design using filter input paralel result

the ripple factor 5,69%, power factor 96,49% and efficiency 99,00%. From these

three methods is obtained that the rectifier with paralel filter input method on the

input side will produce the smaller ripple factor and the best power factor. For

Efficiency case conventional method give the best result with only 0,18% difference

from paralel filter input method.

• -------------

  Keywords : Diode, Rectifier, Full Wave, Ripple Factor, Power Factor, Efficiency,

  Matlab-Simulink

I. PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

  Dewasa ini peralatan elektronika daya cukup berkembang dengan pesat. Hal ini terlihat dengan semakin banyaknya penggunaan peralatan elektronik baik pada rumah tangga, perkantoran maupun industri. Seperti kita ketahui bahwa peralatan tersebut membutuhkan catu daya sumber tegangan arus searah sementara catu daya yang tersedia adalah sumber tegangan arus bolak balik. Oleh karena itu, dibutuhkan alat yang dapat mengkonversi sumber tegangan arus bolak balik menjadi sumber tegangan arus searah yang dikenal juga dengan Penyearah atau

  

Rectifier. Khusus untuk peralatan rumah tangga maupun perkantoran umumnya

  menggunakan penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda. Catu daya seperti ini umumnya menggunakan 4 (empat) buah dioda hubungan jembatan.

  Kebutuhan akan pengendalian, pengkondisian dan konversi daya elektrik dari satu bentuk ke bentuk lain dari tahun ke tahun menunjukkan peningkatan. Teknologi elektronika secara umum dan teknologi elektronika daya secara khusus memegang peranan sangat penting dalam metode konversi energi elektrtik dari satu bentuk ke bentuk lain tersebut. Salah satu bentuk konversi daya elektrik adalah pengubahan tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah menggunakan penyearah atau lebih sering dikenal dengan nama rectifier.

  Kinerja penyearah dinyatakan dalam parameter-parameter unjuk kerja. Unjuk kerja penyearah satu fasa dengan metode konvensional biasanya rendah, tetapi dapat diperbaiki dengan menggunakan filter pada sisi masukan penyearah tersebut.

  Pengujian dengan simulasi komputer pada beberapa jenis metode dilakukan untuk mendapatkan bentuk gelombang dan nilai dari arus dan tegangan untuk menunjukkan perbaikan unjuk kerja penyearah tersebut.

II. TEORI DASAR

  Konversi daya listrik merupakan suatu sistem proses daya listrik pada sistem inputnya ke suatu bentuk yang diinginkan di sisi outputnya. Ada dua jenis daya listrik yaitu sistem AC dan sistem DC. Yang keduanya dapat dikonversi dalam 4 cara, yakni: [1] a. Konversi dc/dc (dc/dc converter)

  b. Konversi dc/ac (inverter)

  c. Konversi ac/dc (converter/rectifier) d. Konversi ac/ac. (cycloconverter). Karena sumber daya utama yang tersedia adalah sumber daya arus bolak balik maka dalam penggunaannya sering juga dikombinasikan dari empat jenis konversi di atas. Seperti dc/dc converter membutuhkan rectifier untuk mendapatkan sumber dc sementara Uninterruptable Power Supply (UPS) merupakan kombinasi dari rectifier dan inverter. Jadi pada sistem dc/dc dan dc/ac converter selalu membutuhkan rectifier.

  Idealnya sumber daya listrik arus bolak balik akan menyalurkan daya listrik ke konsumen pada suatu frekuensi tertentu dengan harga dan amplitudo yang tetap sehingga bentuk gelombang tegangan dan arusnya merupakan bentuk sinusoidal murni. Dalam melayani beban maka beban listrik dapat dikategorikan dalam dua bagian yakni beban linier dan beban non linier. Beban linier sifatnya tidak merubah bentuk gelombang arus maupun tegangan sedang beban nonlinier akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang tidak sinusoidal murni lagi yang sering juga dikenal dengan bentuk gelombang yang terdistorsi yang mengandung harmonisa.

  Penyearah merupakan beban non linier yang banyak menyumbang harmonisa pada saluran tenaga listrik yang dapat dibedakan dalam 4 (empat) jenis, yakni:  Penyearah satu fasa setengah gelombang.  Penyearah satu fasa gelombang penuh.  Penyearah tiga fasa setengah gelombang.  Penyearah tiga fasa gelombang penuh.

  Umumnya penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda digunakan untuk peralatan elektronik rumah tangga maupun perkantoran. Sedang penyearah tiga fasa digunakan untuk pengoperasian peralatan pada industri.

  Penyearah satu fasa atau single phase rectifier berfungsi untuk mengubah arus dan tegangan bolak-balik menjadi arus dan tegangan searah. Komponen utama dalam proses penyearahan tersebut adalah dioda. Berikut ini dijelaskan dua jenis penyearah pada sistem satu fasa

  2.1.1. Penyearah Satu Fasa Dioda Setengah Gelombang

  Pada penyearah satu fasa dioda setengah gelombang terdapat satu buah dioda yang berfungsi untuk memblok setengah gelombang negatif dari tegangan dan arus bolak balik yang mengalir dari sumber tegangan menuju beban, seperti ditunjukkan Gambar 1.

  

Gambar 1. Rangkaian dan gelombang keluaran penyearah setengah gelombang

  Tegangan keluaran rata-rata penyearah dioda setengah gelombang dirumuskan pada Persamaan (1) dan Persamaan (2)

  π

  1 V

  2V sin ( ωt ) d ( ωt ) ................... (1) = √ o s

  ∫ 2 π

  √

  2 V s

  V = .................................................. (2) o

  π

  Arus keluaran rata-rata pada penyearah dioda setengah gelombang dirumuskan pada Persamaan (3)

  V √

  2 V o s

  I ........................................... (3) = o

  R = π R

  Arus rms masukan pada penyearah dioda setengah gelombang adalah :

  π

  2 1 √

  2 V

  

V

s 2 s

  (4)

  I = sin ( ωt ) d ( ωt ) = s

  ∫ 2 π R

  ( ) R √

  2 √

  VA sisi masukan ditunjukkan pada Persamaan (5) :

  2 V s

  ..................................... (5)

  V A =

  V I = s s s

  R

  2

  √ Daya masukan pada dioda setengah gelombang adalah :

  2

  2 V s

  P P .............................................. (6) = = s

  2 π R

  Dan Faktor Daya (Power Factor) adalah :

  2

  2V s

  2 P s π R 2 √

  2 PF= .......................... (7) = =

  2

  2 V A s

  V π s

  R √

  2

2.1.2. Penyearah Satu Fasa Dioda Gelombang Penuh

  Keunggulan utama dari penyearah satu fasa dioda jembatan dibandingkan dengan jenis penyearah yang lain adalah turunnya tegangan puncak balik (peak

  

inverse voltage) dari masing-masing dioda dan meningkatnya TUF (Transformer

Utilization Factor) dari transformator catu. Rangkaian penyearah satu fasa dioda

  jembatan gelombang penuh ditunjukkan pada Gambar 2. berikut :

  

Gambar 2. Rangkaian, gelombang masukan dan gelombang keluaran penyearah dioda

gelombang penuh satu fasa

  Pada penyearah dioda satu fasa gelombang penuh tegangan keluaran rata-rata dirumuskan oleh Persamaan (8) :

  2 √

  2 V = .............................................(8) o , av s

  π V

  V V =

  Tegangan RMS keluaran adalah o , rms s dan daya masukan (input power) diperoleh dari Persamaan (9) berikut :

2 V

  s

  ......................................................... (9)

  P = _¿ R

  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, distorsi tegangan jala-jala melalui impedansi jala- jala. Adanya distorsi tegangan jala-jala akan mempengaruhi beban lain yang terhubung ke jaringan distribusi listrik.

  Memperbaiki bentuk gelombang dari arus jala-jala dibutuhkan untuk mengurangi harmonisa arus jala-jala, dengan demikian akan memperbaiki faktor daya masukkan penyearah. Ada beberapa cara untuk memperbaiki faktor daya penyearah satu fasa dioda jembatan, yaitu metoda pasif dan metoda 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. Metoda pasif adalah penambahan elemen pasif (kapasitor dan induktor) pada rangkaian dioda penyearah jembatan untuk memperbaiki bentuk gelombang arus jala-jala tanpa dapat mengatur nilai tegangan keluaran penyearah.

2.1.3. Fakor Daya

  Faktor Daya, PF (Power Factor), diartikan sebagai perbandingan antara daya aktif (active power) P dengan daya semu (apparent power) S.

  P Watt PF=

  …………………………………..(10)

  S =

  VA

  Arus dan tegangan pada masukkan 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 inductor ini akan menyebabkan arus tertinggal (lagging) terhadap tegangan. Induktor akan menyebabkan daya reaktif tertinggal (lagging VAR) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.(a). Semakin besar

  Φ

  daya reaktif tertinggal akan menyebabkan sudut L semakin besar sehingga

  VA masukan penyearah juga bertambah besar. Dari Persamaan di atas semakin besar VA masukkan penyearah maka faktor daya masukkan penyearah akan semakin kecil.

  _VA Watt V (volt) _VAR I (Ampere)

(a)

_{I (Ampere)}

  VA _{Watt V (volt) VAR}

(b)

Gambar 3. Diagram vektor (a) VAR tertinggal (lagging) (b) VAR mendahului (leading)

  Untuk memperkecil VA maka daya reaktif tertinggal harus dikurangi dengan

memasang kapasitor pada masukkan penyearah. Suatu kapasitor akan menyebabkan

  daya reaktif mendahului (leading VAR) seperti pada gambar 3.(b). Semakin besar

  Φ

  sudut c maka semakin besar pula daya reaktif mendahului. Jadi, Pada masukkan penyearah dengan memasang induktor akan memperbaiki bentuk gelombang arus masukkan dan pemasangan kapasitor akan mengurangi daya reaktif tertinggal sebagai akibat pemasangan inductor tersebut seperti tampak pada Gambar 4. berikut : _VAR2 Watt V (volt) _VAR1

  VA2 _VA1

Gambar 4. Diagram vector perbaikan faktor daya

  Dari Gambar 4, tampak bahwa VA ^{1 akan lebih kecil dari VA 2 karena}

  VAR ^{1 sudah berkurang sebesar VAR kapasitif menjadi VAR 2 setelah pemasangan} kapasitor. Dengan demikian akan memperbesar faktor daya (PF) masukan penyearah.

2.2. Metode Perbaikan Faktor Daya Pada Penyearah Satu Fasa

  Sebuah penyearah dioda jembatan satu fasa harus dirangkaikan dengan sebuah kapasitor pada sisi keluaran. Pemakaian kapasitor bertujuan untuk menggunakan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan. Pada saat tercapai kondisi puncak setengah gelombang positif tegangan keluaran, pada saat ini kapasitor akan dimuati. Kondisi keadaan puncak akan setengah gelombang akan kembali menuju nol, pada saat ini kapasitor akan berangsur-angsur melepaskan muatan yang disimpannya

  Karena tegangan hasil penyearahan mengandung ripple yang cukup besar, maka untuk mengurangi kandungan ripple keluaran dilakukan dengan menambahkan nilai kapasitor C f pada sisi keluaran penyearah tersebut, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. _{D1 D3}

  B _Vsumber E _C BA

_{D4 D2}

N

Gambar 5. Rangkaian satu fasa dioda jembatan dengan menggunakan kapasitor

  Dengan memakai kapasitor C f bernilai besar maka akan mengakibatkan interval konduksi dari dioda penyearah menjadi pendek tetapi arus jala-jala mengandung bentuk gelombang yang tajam. Dalam memperbaiki faktor daya masukan pada sebuah penyearah satu fasa terdapat metode antara lain :

   Metode konvensional  Metode filter input paralel Berikut akan dijelaskan perbedaan dari kedua metode tersebut.

2.2.1. Metode Konvensional

  Pada metode konvensional digunakan satu buah induktor pada sisi keluaran penyearah, dengan memakai filter induktor pada sisi keluaran akan mengakibatkan arus induktor akan kontinu. Untuk memperoleh faktor daya yang maksimum dibutuhkan filter induktor dengan nilai yang cukup besar, namun dengan semakin besarnya nilai induktor maka akan mengakibatkan bertambahnya pengaturan pada tegangan keluaran dan sistem kurang ekonomis. Penyearah dengan metode konvensional ditunjukkan pada Gambar 6. berikut :

  L D1 D3 Vsumber C

  D4 D2

Gambar 6. Rangkaian penyearah satu fasa dengan metode konvensional

  2.2.2. Metode Filter Input Paralel

  Pada metode ini diletakkan rangkaian paralel induktor dan kapasitor pada sisi masukan penyearah. Metode ini diharapkan dapat menghasilkan bentuk gelombang arus masukan dengan kualitas lebih baik apabila dibandingkan dengan metode konvensional. Filter di tune dengan tujuan menghasilkan suatu impendansi yang sangat besar terhadap komponen harmonisa ketiga dari arus masukan. Rangkaian dengan metode filter input paralel ditunjukkan pada Gambar 7 berikut : _{Vsumber Cf Lf D1} D3 C

  D4 D2

Gambar 7. Rangkaian penyearah satu fasa dengan metode filter input paralel

  III. METODE PENELITIAN

  Untuk mengetahui besar faktor daya yang ditimbulkan oleh penyearah dioda gelombang penuh satu fasa maka sistem akan didisain yaitu dengan metode konvensional dan metode filter input parallel.

  3.1. Disain Filter Pada Metode Konvensional

  Terdapat beberapa asumsi yang digunakan dalam menentukan komponen filter masukan dengan metode konvensional antara lain :  Sumber tegangan Vs dianggap ideal  Rugi-rugi induktor dan rugi-rugi kapasitor rangkaian jembatan dianggap tidak ada  Beban dianggap beban resistif Penyearah disimulasikan mempunyai beban 5000 Watt dengan sumber tegangan ideal sebesar 220 Volt RMS dan frekuensi 50 Hz.

  Berikut adalah parameter-parameter yang dibutuhkan dalam melakukan disain penyearah Tegangan sumber (E i ) = 1 pu = 220 Volt RMS Daya beban (P r ) = 1 pu Tegangan beban (V L ) = 1 pu Beban yang disupply oleh penyearah adalah 5000 Watt = 1 pu

  Ripple tegangan (V ripple ) = 5%

  Frekuensi = 50 Hz

  P 5000 1 pu arus=

  V = 220 =22,72 Ampere V 220 1 pu impedansi=

  I = 22,72 =9,68 ohm rad 1 pu ωt =2. π . f =2 x 3,14 x 50=314 detik

  1 pu impedansi 9,68 1 pu induktansi= = 1 pu ωt 314 =30 mH

  1

  1

  1 1 pu kapasitansi= = = ( 1 pu impedansi∗1 pu ωt ) 3039,52 =328,99 μF

  ( 9,68∗314)

  Daya 1,0 pu diperoleh pada tegangan 1,1 pu dengan induktansi sebesar 0,1 pu [1]. Maka nilai filter induktor sebesar 0,1 pu x 30 mH = 3,0 mH. Faktor daya maksimum diperoleh pada saat tegangan beban (V L ) sebesar 1,12 pu [1]. Sehingga

  V L dihitung sebesar

  V 1,12 pu x 220 Volt=246,4 Vol t =

  L

  Besar tegangan maksimum terhadap jatuh tegangan akibat proses pengisian dan pengosongan kapasitor pada sisi keluaran penyearah atau ΔV o diperoleh dengan menggunakan Persamaan (11)

  ∆ V = ripple x Vmaks

  …………………………(11)

  o ∆ V 5 % x 2 x 220=15,55 Volt

  = √ o

  Nilai impedansi Z ^{2 ditentukan dengan menggunakan Persamaan (12)}

  2

  2 Z R ( 2∗ω∗L ) ………………………(12)

• =

  2 √

  2

  2 ₋

  3 Z = 9,68 (2∗314∗3 x 10 ) = 9,86 ohm √

• 2

  Besar arus ripple untuk frekuensi 2f (100 Hz) atau I o,2 diperoleh dengan menggunakan Persamaan (13)

  V − ∆ V m o

  I = o ,2 ….…..……………………………(13)

  Z

  2 2 x 220 15,55

  ( √ ) − I = = 29,97 Ampere o ,2

  9,86 29,97

  I = o ,2

  22,72 =1,319 pu

  Nilai kapasitor pada sisi keluaran penyearah ditentukan dengan Persamaan (14)

  100∗I o ,2

  C = f ……………………..(14)

  2∗V 2∗ω∗ripple(%)

  √ ∗

  LP

  100∗1,319 C = = 8,33 pu f

  √ 2∗1,12∗2∗314∗5 Setelah diperoleh nilai kapasitor pada sisi keluaran penyearah (C ) sebesar 8,33 _f

  328,99 μF μF

  pu, maka nilai C f sebenarnya adalah 8,33 pu x = 2740 Nilai-nilai yang diperoleh dari hasil perhitungan disain akan diimplementasikan pada rangkaian penyearah gelombang penuh satu fasa, seperti pada Gambar 8. berikut : _{Lf = 3,0 mili Henry}

  D1 D3 220 Vrms Cf =

_{2740 mikro Farad}

_{R = 9,68 ohm} D4 D2 Gambar 8. Disain penyearah dengan metode konvensional

  Rangkaian pada Gambar 8. akan disimulasikan pada software Matlab-Simulink, pada rangkaian pengujian menggunakan Matlab-Simulink dilengkapi pengukuran pada sisi masukan dan sisi keluaran.

3.2. Disain Filter Pada Metode Filter Input Paralel

  Dalam melakukan disain, nilai tegangan masukan V s , tegangan keluaran V L dan daya keluaran P o dinyatakan dalam per unit (pu) Penyearah disimulasikan mempunyai beban 5000 Watt dengan sumber tegangan ideal sebesar 220 Volt rms dan frekuensi sebesar 50 Hz. Berikut adalah parameter-parameter yang dibutuhkan dalam melakukan disain penyearah

  Tegangan sumber (E i ) = 1 pu = 220 Volt rms Daya beban (P r ) = 1 pu Tegangan beban (V L ) = 1 pu Beban yang disupply oleh penyearah adalah 5000 Watt = 1 pu

  Ripple tegangan (V ripple ) = 5%

  Frekuensi = 50 Hz

  P 5000 1 pu arus=

  V = 220 =22,72 Ampere V 220 1 pu impedansi=

  I = 22,72 =9,68 ohm 1 pu ωt =2. π . f =2 x 3,14 x 50=314 rad /detik 1 pu impedansi 9,68 1 pu induktansi= =

  1 pu ωt 314 =30 mH

  1

  1

  1 1 pu kapasitansi= = = 3039,52 =328,99 μF

  ( 1 pu impedansi∗1 pu ωt ) ( 9,68∗314) Sedangkan nilai filter C r ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.5)

1 C =

  r 2 ………………………..(15)

  9∗ω ∗ L r

  1 C 0,3584 pu = =

  Maka nilai r

  2 9∗1

  0.31 ∗ μF μF

  Nilai kapasitansi filter input adalah : 0,3584 x 328,99 = 117,91 Nilai tegangan beban V L pada faktor daya maksimum adalah 1,12 pu, maka nilai tegangan beban adalah :

  V L = 1,12 x 220 volt

  V L = 246,4 Volt

  Z dan Z

  Besar impedansi ( LR CR ) untuk harmonisa orde ke-2 = 2*f = 2 *50 Hz = 100 Hz, ditentukan dengan Persamaan (16) dan Persamaan (17)

  Z 2∗ω∗L =

  LR r ………………………(16) ₋

3 Z = 2∗314∗9,3 x 10 = 5,84 ohm

  LR

  1

  1 =

  ………………………….(17)

  Z 2∗ω∗C CR R

  1

  1 Z 13,5 ohm = = = ₋

CR

  CR 6 Z 2∗314∗117,9 x 10

  Maka besar impedansi total (Z TOT ) diperoleh dengan menggunakan Persamaan (18)

  1

  1

  1

• =

  ………………….(18)

  Z Z Z TOT LR CR

  1

  1

  1 = Z 5,84 + 13,5 =0,243

  TOT

  1 Z = TOT

  0,243 =4,076 ohm

  Menurut Ziogas et.al [1] faktor daya maksimum dengan menggunakan filter input paralel diperoleh pada tegangan beban 1,1 pu. Untuk daya 1,0 pu pada tegangan beban 1,1 pu diperoleh nilai induktansi L r sebesar 0,31 pu.

  Maka nilai filter induktansi (L r ) diperoleh sebesar = 0,31 pu x 30 mH = 9,3 mH Arus ripple harmonisa orde ke-2 keluaran penyearah dihitung berdasarkan Persamaan (19) berikut :

  V − ∆ V L o

  I = o ,2 ………………………….(19)

  Z R + TOT L

  Dengan nilai

  V 1,12 pu x 220 Volt=246,4 Volt =

  L ( )

  ∆ V = ripple % ∗ Vmaks o

  ∆ V 5 %∗ 2∗220=15,55 volt = √ o

  Maka diperoleh besar

  246,4−15,55

  I = o ,2

  4,076 +9,68 =16,78 Ampere

  Dalam satuan per unit, diperoleh

  16,78 I = o ,2

  22,72 =0,738 pu

  Selanjutnya adalah menentukan besar kapasitor pada sisi keluaran

  C

  penyearah ( f ), dengan Persamaan (20)

  100∗I o , 2

  C = ………………………(20) f

  2∗V ∗ 2∗ω∗ripple

  √

  LP 100∗0,738 73,8

  C = = f

  15,839 =4,659 pu

  √ 2∗1,12∗2∗1∗5 Maka besar kapasitor pada sisi keluaran

  C ¿ = 4,659 x 328,99 μF=1532,873 μF

  (

  f

  Nilai-nilai yang diperoleh dari hasil perhitungan disain penyearah satu fasa dengan pemakaiaan filter paralel pada sisi masukan akan diimplementasikan pada rangkaian penyearah gelombang penuh satu fasa, seperti pada Gambar 9. berikut : _{Lr = 9,3 mH 220 Vrms 50 Hz Cr = 117,91 mikro Farad} D1 D3 _{Cr = 1532,873 mikro Farad R = 9,68 ohm} D4 D2

  

Gambar 9. Disain penyearah dengan metode pemakaian filter parallel pada sisi masukan

IV. ANALISA DATA

  

4.1. Pengujian dan Analisis Penyearah Dengan Menggunakan Kapasitor

Pada Sisi Keluaran

  Pada penyearah dengan menggunakan kapasitor, dimana pada sisi keluaran digunakan kapasitor dengan kapasitas 2740 mikro Farad. Nilai tersebut diambil merupakan nilai kapasitor tertinggi dari metode konvensional dan metode filter parallel. Gelombang tegangan dan arus pada sisi masukan ditunjukkan pada Gambar 10 :

  

Gambar 10. Gelombang tegangan dan arus masukan Pada penyearah dengan menggunakan

kapasitor.

  Dari Gambar dapat dilihat bahwa tegangan masukan dalam bentuk sinusoidal dengan nilai tegangan masukan 220 Volt rms atau 311 V maksimum. Namun arus masukan tidak dalam sinusoidal, arus masukan tersebut akan timbul selama 2 mili detik dan akan berada pada titik nol selama 7 mili detik. Namun karena pengaruh kapasitor pada sisi keluaran akan mengakibatkan arus pada sisi keluaran akan tetap kontinu, seperti ditunjukkan pada Gambar 11. berikut :

  

Gambar 11. Gelombang tegangan dan arus keluaran pada penyearah dengan menggunakan

kapasitor

  Pada Tabel 1 berikut ditunjukkan hasil pengukuran pada sisi masukan dan sisi keluaran penyearah satu fasa dengan menggunakan kapasitor pada sisi keluaran

  

Tabel 1. Pengukuran pada sisi masukan dan keluaran penyearah dengan kapasitor pada sisi

keluaran Nilai Letak Pengukuran Jenis Pengukuran Satuan Pengukuran

  Arus (I) rms

  62.42 Ampere Tegangan (V) rms 220 Volt Sisi Masukan Daya semu (S) 13730

  VA Daya Aktif (P) 7824 Watt

Daya Reaktif (Q) -3595

  VAR Arus (I) DC

  28.23 Ampere Arus (I) rms

  28.33 Ampere Tegangan (V) DC 273.3 Volt Sisi Keluaran Tegangan (V) rms 274.3 Volt

  Daya (P) DC 7715 Watt Daya (P) rms 7771 Watt

  Dari data yang diperoleh pada Tabel 1. tersebut dilakukan analisa terhadap daya DC, daya AC, efisiensi penyearah, faktor ripple, faktor penggunaan transformator dan faktor daya. Daya DC penyearah diperoleh dari Persamaan 21. berikut :

  P ( Watt )

  V I = ∗

  DC …(21) DC (keluaran) DC(keluaran )

  Daya AC penyearah diperoleh dari Persamaan 22. berikut :

  P ( Watt ) = V ∗

  I AC rms(keluaran ) rms(keluaran) …(22)

  Efisiensi penyearah merupakan perbandingan daya DC penyearah dengan daya AC penyearah, seperti pada Persamaan 23. berikut :

  P DC η=

  ………………………..…………………(23)

  P AC

  Faktor ripple (RF) adalah perbandingan tegangan AC dan tegangan DC, seperti pada Persamaan 24. berikut :

  V AC RF=

  ………………………………………..(24)

  V DC

  dimana tegangan AC diperoleh dengan menggunakan Persamaan 25. berikut :

  2

2 V

  V V = − …………………………….(25)

  AC rms dc √

  Faktor kegunaan transformator atau transformer utility factor (TUF) diperoleh dengan menggunakan Persamaan 26. berikut ini :

  P DC TUF=

  ……………………......(26)

  V ∗

  I

  ( )

  sumber sumber

  Faktor daya atau Power Factor (PF) penyearah adalah merupakan perbandingan antara daya aktif pada sisi masukan dengan daya semu pada sisi masukan penyearah, seperti pada Persamaan 27. berikut :

  P ( Watt ) masukan

  PF= …………………………….(27) S (

  VA ) masukan

  Selanjutnya dengan menggunakan Persamaan 21. sampai dengan Persamaan 27, maka diperoleh hasil perhitungan pada Tabel 2. berikut :

  

Tabel 2. Hasil perhitungan penyearah dengan kapasitor pada sisi masukan

Nilai Perhitungan Satuan Daya DC 7715,259 Watt Daya AC 7770,919 Watt Efisiensi 98,61 % Faktor Ripple 8,56 % TUF 56,18 % Faktor daya 56,98 %

  Dari data hasil perhitungan diperoleh bahwa efisiensi penyearah cukup tinggi sebesar 98,61%, namun memiliki faktor ripple dan TUF yang cukup rendah sebesar 8,56% dan 56,18%. Faktor daya penyearah juga cukup rendah sebesar 56,98 % diakibatkan timbulnya daya semu yang cukup tinggi dibandingkan dengan daya aktif masukan penyearah.

  

4.2. Pengujian dan Analisis Penyearah Dengan Menggunakan Metode

Konvensional

  Pada penyearah dengan menggunakan metode konvensional, dimana nilai- nilai komponen yang akan digunakan sudah dihitung sebelumnya pada Bab 3. Gelombang tegangan dan arus pada sisi masukan ditunjukkan pada Gambar 12. :

  

Gambar 12. Gelombang tegangan dan arus masukan pada penyearah dengan metode

konvensional

  Dari Gambar dapat dilihat bahwa tegangan masukan dalam bentuk sinusoidal dengan nilai tegangan masukan 220 Volt rms atau 311 V maksimum. Namun arus masukan tidak sinusoidal, arus masukan tersebut akan timbul selama 6 mili detik dan akan berada pada titik nol selama 4 mili detik. Akibat pengaruh induktor pada sisi keluaran akan mengakibatkan waktu timbulnya arus pada sisi masukan semakin lama dibandingkan dengan penyearah hanya dengan memakai kapasitor pada sis keluaran. Namun akibat pengaruh induktor tersebut terdapat lonjakan tegangan sebesar 50% lebih dari tegangan puncak (mencapai 468 Volt) pada sisi masukan selama 30 mili detik pada sisi keluaran, seperti ditunjukkan pada Gambar 13. berikut :

  

Gambar 13. Gelombang tegangan dan arus keluaran pada penyearah dengan metode

konvensional

  Pada Tabel 3. berikut ditunjukkan hasil pengukuran pada sisi masukan dan sisi keluaran penyearah satu fasa dengan metode konvensional

  

Tabel 3. Pengukuran pada sisi masukan dan keluaran penyearah dengan metode

konvensional

Letak Pengukuran Jenis Pengukuran Nilai Satuan

Pengukuran

  Arus (I) rms

  37.71 Ampere Tegangan (V) rms 220 Volt Sisi Masukan Daya semu (S) 8293

  VA Daya Aktif (P) 6498 Watt Daya Reaktif (Q) 3509

  VAR Sisi Keluaran Arus (I) DC

  25.8 Ampere Arus (I) rms

  25.85 Ampere Tegangan (V) DC 249.8 Volt Tegangan (V) rms 250.3 Volt Daya (P) rms 6470 Watt

  Dari data yang diperoleh pada Tabel 3. tersebut dilakukan analisa terhadap daya DC, daya AC, efisiensi penyearah, faktor ripple, faktor penggunaan transformator dan faktor daya dengan menggunakan Persamaan 21. sampai dengan Persamaan 27., maka diperoleh hasil perhitungan pada Tabel 4. berikut :

  

Tabel 4. Hasil perhitungan penyearah dengan metode konvensional

Nilai Perhitungan Satuan

  Daya DC 6444,840 Watt Daya AC 6470,255 Watt Efisiensi 99,18 % Faktor Ripple 6,33 % TUF 77,69 % Faktor daya 78,36 %

  Dari data hasil perhitungan diperoleh bahwa efisiensi penyearah cukup tinggi sebesar 99,18%, Memiliki TUF yang cukup bagus sebesar 77,69%. Faktor

  

ripple penyearah lebih tinggi dari yang direncanakan pada disain penyearah (5%)

  yaitu sebesar 6,33%. Faktor daya penyearah dengan metode konvensional lebih bagus dari penyearah dengan menggunakan kapasitor pada sisi keluaran yaitu sebesar 78,36%, adanya induktor dan kapasitor pada sisi keluaran mengakibatkan berkurangnya daya semu pada sisi masukan.

  

4.3. Pengujian dan Analisis Penyearah Dengan Menggunakan Metode Filter

Paralel

  Pada penyearah dengan menggunakan metode filter parallel, dimana nilai- nilai komponen yang akan digunakan sudah dihitung sebelumnya pada Bab 3. sistem sudah diimplementasikan pada Matlab-Simulink .Gelombang tegangan dan arus pada sisi masukan ditunjukkan pada Gambar 14.:

  

Gambar 14. Gelombang tegangan dan arus masukan pada penyearah dengan metode filter

paralel

  Dari Gambar 14. dapat dilihat bahwa tegangan masukan dalam bentuk sinusoidal dengan nilai tegangan masukan 220 Volt rms atau 311 V maksimum. Namun arus masukan tidak sinusoidal, arus masukan tersebut akan timbul selama 8 mili detik dan akan berada pada titik nol selama 2 mili detik. Apabila dibandingkan dengan metode konvensional dan metode pemakaian filter pada sisi keluaran, maka dengan metode filter parallel memiliki waktu timbulnya arus masukan yang cukup lama. Akibat pemasangan filter pada sisi masukan akan mempengaruhi kualitas daya masukan pada penyearah. Apabila dibandingkan gelombang arus masukan pada ketiga metode, maka gelombang arus masukan pada metode filter parallel lebih mendekati sinusoidal, artinya dengan metode filter parallel tersebut kualitas daya masukan lebih bagus dibandingkan dengan dua metode yang lain.

  Gelombang keluaran tegangan dan arus pada penyearah dengan metode filter parallel ditunjukkan pada Gambar 15. berikut:

  

Gambar 15. Gelombang tegangan dan arus keluaran pada penyearah dengan metode filter

parallel

Pada Tabel 5. berikut ditunjukkan hasil pengukuran pada sisi masukan dan sisi

  keluaran penyearah satu fasa dengan metode konvensional

  

Tabel 5. Pengukuran pada sisi masukan dan keluaran penyearah dengan metode filter

parallel Nilai

  

Letak Pengukuran Jenis Pengukuran Satuan

Pengukuran Arus (I) rms

  30.07 Ampere Tegangan (V) rms 220 Volt Sisi Masukan Daya semu (S) 6613

  VA Daya Aktif (P) 6381 Watt Daya Reaktif (Q) 1082

  VAR Arus (I) DC

  25.55 Ampere Arus (I) rms

  25.59 Ampere Tegangan (V) DC 247.3 Volt Sisi Keluaran Tegangan (V) rms 247.7 Volt

  Daya (P) DC 6317 Watt Daya (P) rms 6339 Watt

  Dari data yang diperoleh pada Tabel 5. tersebut dilakukan analisa terhadap daya DC, daya AC, efisiensi penyearah, faktor ripple, faktor penggunaan transformator dan faktor daya dengan menggunakan Persamaan 21. sampai dengan Persamaan 27., maka diperoleh hasil perhitungan pada Tabel 6. berikut :

  

Tabel 6. Hasil perhitungan penyearah dengan metode filter paralel

  Nilai Perhitungan Satuan Daya DC 6318,515 Watt Daya AC 6338,643 Watt Efisiensi 99,00 % Faktor Ripple 5,69 % TUF 95,49 % Faktor daya 96,49 %

  Dari data hasil perhitungan diperoleh bahwa efisiensi penyearah menurun sebesar 0,18% apabila debandingkan dengan metode konvensional. Penyearah dengan metode filter parallel memiliki TUF yang jauh lebih bagus apabila dibandingkan dengan metode konvensional dan metode kapasitor pada sisi keluaran, TUF penyearah sebsar 95,49 %. Faktor ripple penyearah mendekati disain sistem yang direncanakan sebesar 5,69%. Faktor daya penyearah dengan metode filter parallel pada sisi masukan dapat diperbaiki apabila dibandingkan dengan kedua metode yang lain, faktor daya sistem sebesar 96,49%. Pada Tabel 7. berikut merupakan tabulasi data hasil perhitungan dan analisa dari ketiga metode penyearah.

  

Tabel 7. Tabulasi perbandingan hasil perhitungan ketiga metode penyearah

  Dari data pada Tabel 7 tersebut dapat dilihat bahwa penyearah dengan metode filter parallel dapat memperbaiki efisiensi, faktor ripple, transformer

  

utility factor (TUF) dan faktor daya apabila dibandingkan dengan penyearah yang

  hanya menempatkan kapasitor pada sisi keluaran, seperti ditunjukkan pada Gambar 16. dan Gambar 17. Berikut:

  10.00 ) (%

  8.00 r

  Kapasitor to

  6.00 c a Konvensional

  4.00 F Filter Paralel le

  2.00 p ip

  0.00 R Metode

Gambar 16. Perbandingan faktor ripple ketiga metode pada penyearah satu fasa

  120.00 )

  100.00 % (

  80.00 a

  Kapasitor y a

  60.00 Konvensional D r

  40.00 Filter Paralel to k

  20.00 a F

  0.00 Metode

Gambar 17. Perbandingan faktor daya ketiga metode pada penyearah satu fasa

V. KESIMPULAN

  Apabila dibandingkan dengan metode pemakaian kapasitor pada sisi keluaran penyearah, maka penyearah dengan menggunakan filter parallel pada sisi masukan dapat meningkatkan efisiensi sebesar 0,39% dan juga dapat meningkatkan faktor daya penyearah sebesar 69,33% . Penyearah dengan pemakaian filter parallel juga dapat menurunkan faktor ripple penyearah sebesar 33,54% apabila dibandingkan dengan metode pemakaian kapasitor pada sisi keluaran penyearah.

DAFTAR PUSTAKA

  

Prasad, Ziogas and Manias, ” A Novel Passive Waveshaping Method for Single Phase

Diode Rectifiers”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 37, no.6, pp.521-530, Dec 1990 Theraja, “ A Text Book of Electrical Technology”, Vol.I, New Delhi 1994

  Rashid, “Power Electronics: Circuit, Devices and Applications” Prentice Hall, 2004

Grigore, “ Topological Issues in Single Phase Power Factor Corrections”, Doctor of

Science Dissertation, Helsinki University of Technology, 2001

He, Dai and Xu, “Some Novel Rectifier Configurations For Reducing Input Current

Distortion”, International Journal of Electrical Eng. Vol.36, pp.121-138, Manchester 1999

Yanchao Ji, “Single Phase Diode Rectifier With Novel Passive Filter”, IEEE proceeding

online, 1998

Aintblian, Hill, “A New Single Phase AC to DC Harmonic Reduction Converter Based On

The Voltage Doubler Circuit” IEEE, 1994