BAB II DASAR TEORI 2.1 Sumber Tegangan Tiga Fasa - Analisis Penyearah Tiga Fase Terkontrol Penuh dengan Simulasi Matlab
BAB II DASAR TEORI
2.1 Sumber Tegangan Tiga Fasa
Hampir semua listrik yang digunakan oleh industri, dibangkitkan, ditransmisikan dan didistribusikan dalam sistem tiga fasa. Sistem ini memiliki besar arus dan tegangan yang sama tetapi mempunyai perbedaan sudut 120 antara fasanya. Sistem ini disebut sistem seimbang tiga fasa [2].
Apabila sumber mensuplai beban seimbang maka arus pada masing-masing penghantar akan memiliki besar yang sama dan berbeda sudut sebesar 120 satu sama lain. Arus-arus ini desebut arus seimbang. Ia Z Ø Ic Vbn Van n Vcn Z Ic n Z Ib Ø Ø Ia Van Ib Vbn
Gambar 2.1(a) Rangkaian sistem tiga fasa urutan abcdan (b) Diagram fasor
sebuah sistem seimbang [2]
Sistem pada gambar 2.1 (a) disebut sistem urutan abc, dimana fasa b tertinggal 120 terhadap fasa a, dan fasa c tertinggal 120 terhadap fasa b. Hanya satu kemungkinan urutan lagi selain urutan abc, yaitu urutan acb. Beban pada gambar 2.1 (a) dihubungkan dengan cara hubungan wye (Y). Dalam hubungan tipe Y ini tegangannya adalah tegangan fasa netral dan arus yang mengalir pada tiap fasa beban adalah arus fasa netral [2].
Vca Vnb Vcn Vab
Van Vbn Vbc
Gambar 2.2 Diagram fasor tegangan fasa urutan abc [2]Tegangan antara fasa ke fasa dapat dihitung seebagai berikut : ……………………………………….(2.1)
…………………………………………………….........(2.2) …………………………………………………….........(2.3)
Untuk sistem seimbang, masing-masing tegangan fasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka = = =
………………………………………………………..(2.4) Dimana adalah harga efektif dari nilai magnitude tegangan fasa.
Jadi, ..................................................................................................(2.5)
…………………………………………………………...(2.6) ………………………………………………(2.7)
Dengan menggunakan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.3) maka persamaan (2.5), (2.6), dan (2.7) menjadi
……………………………………………….............(2.8) ………………………………………………………(2.9)
……………………………………………………(2.10)
Dari hasil di atas terlihat bahwa saluran tersebut membentuk suatu sistem tiga fasa yang seimbang dengan magnitudenya adalah kali magnitude dari tegangan fasa.
Daya yang digunakan pada masing-masing fasa pada beban adalah: ………………………………………………………(2.11)
Dimana : arus Cos = factor daya untuk sistem yang seimbang, daya totalnya adalah:
………………………...(2.12) Dimana : tegangan fasa ke netral tegangan fasa ke fasa arus fasa ke fasa
2.2 Beban
Dalam sistem tenaga listrik dikenal tigajenissifatbeban yaitu beban resistif, induktif dan kapasitifdan masing-masing beban memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda-beda. Berikut akan dibahas beban resistif dan induktif.
2.2.1 Beban Resistif (R)
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan (ohm) saja (resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu.
Tegangan dan arus sefasa. Persamaan daya sebagai berikut : P =V. I
……………………………………………………………………...(2.13) Dengan : P = daya aktif yang diserap beban (Watt) V = tegangan yang mencatu beban (Volt) I = arus yang mengalir pada beban (Ampere)
Gambar 2.3 Grafik arus dan tegangan pada beban resistifV I
Gambar 2.4 Diagram fasor beban resistif2.2.2 Beban Induktif (L)
Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparat kawat yang dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan solenoida. Beban ini dapat mengakibatkan pergeseran fasa (phase shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh energi yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya reaktif. Persamaan daya aktif untuk beban induktif adalah sebagai berikut:
P = V I cos φ ………………………………………………………………….(2.14) Dengan : P = daya aktif yang diserap beban (watt) V = tegangan yang mencatu beban (volt) I = arus yang mengalir pada beban (A) φ = sudut antara arus dan tegangan
Gambar 2.5 Grafik Arus dan Tegangan Pada Beban Induktifφ
V I
Gambar 2.6 Diagram fasor beban induktif Untuk menghitung besarnya rektansi induktif (X L ), dapat digunakan rumus …………………………………………………………………(2.15)Dengan : X = reaktansi induktif
L
F = frekuensi (Hz) L = induktansi (Henry)
2.3 Komponen Elektronika Daya
Ada beberapa komponen penyusun rangkaian elektronika daya diantaranya dioda dan thyristor.Penyearah dapat dibangun dari beberapa komponen elektronika daya seperti dioda dan thyristor.
2.3.1 Dioda
Dioda adalah komponen semikonduktor yang terdiri dari dua lapisan yaitu lapisan P dan N yang mana hanya mengalirkan arus dalam satu arah saja dan mampu menahan tegangan balik sampai harga ratingnya tanpa mengalirkan arus. Dioda mempunyai dua terminal yaitu anoda (A) dan katoda (K) seperti terlihat dalam gambar 2.7
Anoda P N
Katoda
Gambar 2.7 Struktur dioda [3] Dua kondisi yang perlu diperhatikan pada pengoperasian diode yaitu :1. Kondisi bias maju, Tegangan anoda lebih besar dari tegangan katoda Arus akan mengalir dari anoda ke katoda Resistansi dioda relatif kecil sekali Tegangan anoda- katoda volt
2. Kondisi bias balik, Tegangan anoda lebih kecil dari tegangan katoda Tidak ada aliran arus balik (arus besarnya adalah 0), akan tetapi bila masih ada arus yang mengalir, arus tersebut merupakan arus bocor yang kecil sekali (dalam orde milliampere).
2.3.2 Thyristor
Thyristor merupakan komponen semikonduktor yang berfungsi seperti dioda namun dilengkapi dengan suatu elektrode pengontrol (gate) yang berfungsi untuk menerima sinyal trigger pengatur saat konduktif. Thyristor tersusun dalam lapisan
PNPN . Salah satu jenis thyristor yang sering digunakan adalah SCR (Silicon Controller
Rectifier ) yaitu jenis thyristor yang hanya dapat menghantarkan arus dalam satu arah saja [4]. Gambar 2.8 memperlihatkan lapisan semikonduktor SCR yang mempunyai tiga elektrode yaitu anoda, katoda dan elektroda pengontrol ( gate )
A A p G n Gate p n
K K
Gambar 2.8 Simbol thyristor [4]2.3.3 Cara kerja dan Karateristik Thyristor
Karakteristik dari tegangan arus dari thyristor pada arah balik ( reverse ) akan sama dengan dioda biasa. Tetapi pada arah maju ( forward ) thyristor mempunyai karakteristik tersendiri (gambar 2.9). Apabila thyristor diberikan tegangan suplai sesuai kemampuannya akantetapi tanpa diberi trigger pada gatenya maka karakteristik forwardnya mempunyai bentuk yang sama dengan karakteristik reversenya, yang berarti thiristor mempunyai harga tahanan yang sangat tinggi dan thyristor masih dalam keadaan off. Pada keadaan ini thyristor menahan arus yang melaluinya meskipun masih ada arus yang mengalir, arus tersebut merupakan arus bocor yang besarnya hanya dalam milli ampere dan arus ini disebut “forward leakage current”. AK + +
A - S K
V V L R - i T
Gambar 2.9 Karakteristik Thyristor [4] Pada kondisi ini tegangan antara anoda dan katoda akan sama dengan tegangan suplai kaarena arus bocornya kecil, Dan diusahakan agar peak dari tegangan suplai tidak melebihi dari“forward breakdown” dari thyristor. Apabila kondisi pada ini gate dari
SCR diberikan pulsa trigger maka karakteristik thyristor berubah dari keadaan off ke keadaan ondan seperti keadaan forward dari dioda biasa. Terjadinya perubahan ini melalui suatu harga arus tertentu yang masih kecil, dimana tengangan anoda dan katoda cepat menurun.Arus ini adalah
“holding current”. Pada saat thiristor dalam keadaan on maka arus anoda (arus beban ) tidak dapat dipengaruhi oleh adanya pulsa trigger lagi.
Baru pada saat arus anoda kecil dimana pada saat itu tegangan antara anoda dan katoda lebih kecil daripada tegangan yang diperlukan untuk mempertahankan holding current maka thiristor kembali ke keadaan off dimana tidak ada arus konduksi yang mengalir. Keadaan off ini akan terus berlangsung sampai pulsa trigger selanjutnya diberikan pada gate sehingga thiristor menjadi on kembali.
2.3.4 Penyalaan ( turn on ) Thyristor
Jika sebuah pulsa trigger diberikan pada gate thyristor maka thyristor tersebut akan terkonduksi, selang waktu yang diperlukan untuk berkonduksi setelah pulsa diberikan disebut waktu pengisian ( turn on time = t ). Waktu penyalaan ini ada dua
on
tahap yaitu waktu pertambahan (delay time = t d ) dan waktu peningkatan (rise time = t r ) t = selang waktu antara saat pemberian arus gate mencapai 10% ( 0,1 I ) dan
d G pada keadaan thyiristor on.
t r = selang waktu yang diperlukan arus anoda untuk naik dari 10% ( 0,1 I T ) sampai 90% ( 0,9 I ) dari arus yang lewat thyristor pada saat keadaan on.
T
Waktu penyalaan ( t on = t d + t r )
Waktu penyalaan adalah selang waktu yang diperlukan antara ssat pemberian pulsa pada gate mulai dari 10% (0,1 I ) sampai mencapai 90% ( 0,9 I ) dari arus
T T thyiristor pada keadaan on [4].
Gambar 2.10 Karakteristik penyalaan [4]2.3.5 Pemadaman ( turn off) Thyristor
Pada rangkaian yang menggunakan sumber tegangan bolak-balik thyristor akan padam dengan sendirinya dengan tegangan sampai titik nol yaitu setiap ½ periode.
2.4 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh
Rangkaian penyearah adalah suatu rangkaian yang mengubah tegangan bolak- balik (ac) menjadi tegangan searah (dc).Terdapat beberapa jenis rangkaian penyearah dan masing-masing penyearah memberikan hasil keluaran yang berbeda-beda. Pada tugas akhir ini dibahas penyearah tiga fasa terkontrol penuh yang menggunakan thyristor sebagai komponen penyusunnya yang dibebani dengan beban resistif ( R )dan beban resistif induktif ( RL ).
2.4.1 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh Beban Resistif (R)
Diagram rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh dengan beban R dapat dilihat pada (Gambar 2.11). Rangkaian ini terdiri dari 6 buah thyristor yang terpasang dalam tiga lengan, dimana masing-masing lengan terdiri dari 2 thyristor, menurut fungsinya setiap lengan dibagi menjadi dua, lengan bagian atas dan lengan bawah.
Lengan atas berfungsi untuk mengalirkan arus dalam arah maju dan bagian bawah mengalirkan arus dalam arah balik.
Tegangan sumber adalah tegangan bolak-balik tiga fasa yang seimbang. Ada beberapa kondisi yang perlu diperhatikan dalam memberikan pulsa trigger pada thyristor karena pada waktu bersamaan ada dua thyristor yang di trigger. A SCR 1 SCR 3 SCR 5 C B SCR 4 SCR 6 SCR 2 R L
Gambar 2.11 Rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R [5].
Kondisi thyristor (SCR) pada saat konduksi adalah sebagai berikut
1 SCR on bila V an > V bn dan V an > V cn
2 SCR on bila V bn > V cn dan V bn > V an
3 SCR on bila V cn > V an dan V cn > V an
4 SCR on bila V an <V bn dan V an < V cn
5 SCR on bila V bn < V cn dan V bn < V an
6
on bila V <V dan V < V SCR cn an cn bn Bentuk-bentuk tegangan output dan input dapat dilihat pada (Gambar 2.12). Dari gambar terlihat ada enam phasor yang berbeda pada gelombang input. Setiap phasor memiliki perbedaan sudut penghantar 60 .Sudut penyalaan pulsa mempunyai batas antara 60 sampai 180 . Sudut penyalaan minim adalah 60 dan dianggap sebagai sudut penyalaan [5].
α = 0 pada 60
Gambar 2.12 Bentuk gelombang tegangan suplai dengan tegangan beban pada sudut penyalaan yang berbeda [5].dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan sudut penyalaan α = 0
1
B) aktif pada interval 0 < α <
6 Pada saat fasor (A- SCR dan SCR konduksi
1
secara bersamaan selama 60 ini berarti bahwa tegangan SCR lebih positif daripada
3
5
6
tegangan SCR dan SCR , sedangkan SCR tegangannya lebih negatif dibandingkan
2
4
tegangan SCR dan SCR . Berikutnya phasor (A-C) yang aktif pada interval <
1
2
ini menyatakan bahwa SCR dan SCR konduksi secara bersamaan juga selama α< 60 . Secara berurutan pasangan thyristor yang aktif dapat dinyatakan sebagai
1
6
2
3
3
4
4
5
5
- –SCR Ditinjau dari besar sudut penyalaannya ada dua sifat penghantar yaitu,
6 berikut,SCR - SCR , SCR - SCR , SCR , SCR - SCR , SCR - SCR , dst.
1. Pada interval arus keluarannya bersifat kontiniu.
0 < α < 2. Pada interval arus keluarannya bersifat diskontiniu.
< α <
sehingga hubungan antara tegangan keluaran sebagai fungsi sudut penyalaan diberikan sebagai sebagai berikut , : Tegangan beban rata-rata, untuk interval (arus keluaran kontiniu)
0 ≤ α ≤
E E cos α ……………………………………………………………..(2.16)
Tegangan beban rata-rata, untuk interval (arus keluaran diskontiniu) ≤ α ≤
…………………….……………………...(2.17) Nilai rms tegangan beban untuk interval (arus keluaran kontiniu)
0 ≤ α ≤
= E ………………………………………………(2.18)
Nilai rms Tegangan beban untuk interval (arus keluaran diskontiniu) ≤ α ≤
……………………………………(2.19) Dimana E adalah harga rms tegangan line.
2.4.2 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh Beban Resistif Induktif (RL)
Prinsip kerja penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL sama dengan penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R, hanya pada beban karakteristik keluarannya tertentu pada sudut penyalaan yang lebih tinggi. Arus beban selalu kontiniu dan tegangan keluaran turun sampai 0 pada Ini dapat dijelaskan dengan
α = .
bantuan diagram rangkaian, persamaan tegangan dan diagram rangkaian arus. Diagram rangkaian ditunjukkan pada (Gambar 2.13) berikut ini, A L C L
L
C
SCR1 SCR SCR 3 5 L C B E
L
C
SCR SCR 6 4 SCR 2 R L Gambar 2.13 Rangkaian Penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL [5].Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL, SCR konduksi selama 120 tidak tergantung dari nilai α tidak seperti rangkaian enam pulsa setengah gelombang yang mana thyristor konduksi selama seperti ditunjukkan pada (Gambar
2.14) berikut ini,
Gambar 2.14 Bentuk gelobang keluaran tegangan dan aruspenyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL [5].Tegangan rata-rata beban, …………………………………………………………….(2.20)
Tegangan keluaran rata-rata menjadi nol pada dan menjadi negatifpadainterval . Pada sudut tunda rangkaian ini akanbertindak sebagai inverter. Arus beban rata-rata
…………………………………………………………..(2.21) Arus rata-rata dari SCR dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
= ………………………………………………………….....................(2.22) Nilai rms tegangan beban, =
……………………………………………..(2.23) Arus rms SCRdapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
……………………………………………........................(2.24) Dimana adalah adalah harga rms tegangan line