Tugas Akhir - repository.usu.ac.idrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/11843/1/09E00043.pdf ·...

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

2008


Lembar Pengesahan

STUDI DAN SIMULASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA

PADA MASUKAN PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN


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

2008


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 parameter-

parameter unjuk kerja penyearah.


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.

4. Bapak Soeharwinto ST, MT selaku dosen wali penulis.


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

NIM : 040 422 030


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


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

III.6 Contoh disain filter ..................................................................... 29


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

KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 47


V.1 Kesimpulan .................................................................................. 47

V.2 Saran ............................................................................................ 47

Daftar Pustaka


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

Gambar 3.9 ......................................................................................... 21


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

Gambar 4.6 ......................................................................................... 42


DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 ............................................................................................ 45

Tabel 4.2 ............................................................................................ 45

Tabel 4.3 ............................................................................................ 46

Tabel 4.4 ............................................................................................ 46


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.

I.2 Tujuan Penulisan


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.


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 :

BAB I : PENDAHULUAN


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.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN.


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


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.


p n

v v

katodaanoda anoda katoda

-+ -+

ii

(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

IS = Arus bocor (saturasi balik), biasanya bernilai 10-6 sampai 10-15 Ampere.


ArusBocor 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.

3. Dioda Schottky


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

D3D1

Vo

+io

-

A

B

is

Cf

Beban

Gambar 2.4 Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan


2π

ωt

ωt

2π

π

π0

0

Vm

Vs

Vo

Vm

Gambar 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.


Suatu kapasitor Cf ditempatkan pada sisi keluaran penyearah pada Gambar 2.4.

Misalkan kapasitor awalnya tidak bermuatan dan kemudian rangkaian dienergi

(energized) pada ωt = 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 ωt = π/2. Pada saat tegangan sumber mulai

turun setelah ωt = π/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

2ππ0

Vo

Vm

ωπ

∆vo

π/2

Gambar 2.6 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan filter kapasitor.

Besarnya ΔVo dihitung dengan pers. (2.1) yaitu,

ΔVo = ripple % x Vm (pers.2.1)


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. Adanya distorsi tegangan 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


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 = SP =

VAWatt (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 ΦL 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

VWatt

ΦL

ΦC

VAR VAR

Watt

VA

VI

I

(a) (b)

Gambar 2.7 Vektor diagram (a) VAR tertinggal dan (b) VAR mendahului


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 ΦC 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.

VARCapasitive

VA1

VA2

VAR1

VAR2 Φ1

Φ2

Gambar 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


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, η = AC

DC

PP

(pers.2.5)

Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran adalah :

VAC = 22DCrms VV − (pers.2.6)

Faktor bentuk (Form Factor, FF) yang mengukur bentuk tegangan keluaran.

FF = DC

rms

VV

(pers.2.7)

Faktor riak (Ripple Factor, RF) yang mengukur kandungan riak.

RF = DC

AC

VV

(pers.2.8)

Faktor penggunaan transformator, (Transformer Utilization Factor, TUF)

TUF = ss

DC

IVP

(pers.2.9)

Dengan VsIs adalah nilai rms dari tegangan dan arus transformator.

Faktor daya (Power factor, PF) masukan penyearah dihitung dengan


PF = ϕCosIVIV

SS

SS 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 φ adalah sudut pergeseran antara arus dan tegangan

BAB III

PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN



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

D3D1

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 μF maka bentuk gelombang arus jala-jala (masukan)

tampak pada Gambar 3.2 sedangkan bentuk gelombang tegangan keluaran tampak

seperti pada Gambar 3.3.


Gambar 3.2 Bentuk gelombang arus masukan dengan VS = 230 Volt,

beban 200 Watt dan Cf = 470 μF dari Gambar 3.1.

Gambar 3.3 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan VS = 230 Volt,


Cara mudah untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan, tanpa

komponen tambahan adalah dengan menggunakan kapasitor Cf bernilai yang lebih


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 μF 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,



Gambar 3.5 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan VS = 230 Volt,


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.

D4 D2

D3D1

RL VL

ILIs

Cf

LfIo

Vs


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 Ω, filter Cf = 470 μF 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 μF 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


VS = 230 Volt, beban resistansi R = 500 Ω, filter Cf = 470 μF dan filter Lf = 130 mH,

bentuk gelombang arus dan tegangan masukan tampak pada Gambar 3.9.

Vs

D4 D2

D3D1

RL VL

ILIs

Cf

Lf Io

Gambar 3.8 Penyearah dioda jembatan dengan induktor pada sisi masukan.


Gambar 3.9 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk Gambar 3.8 dengan

VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 μF 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 μF 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.


Bila filter induktansi Lf bernilai rendah arus masukan sistem Is akan beroperasi

pada mode diskontinu karena arus masukan akan bernilai nol sebelum ωt = π. 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 μF 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


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

RV 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

ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.11 berikut.


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 :


Cf = %)(22

100 2,

ripplexxxxVxI

pL

o

ω pers.(3.2)

Pada pers.3.2 diatas, nilai Io2, VL, dan ω 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 = 2Z

VV om ∆− pers.(3.3)

Nilai ΔVo diperoleh dari pers.(2.1) sedangkan nilai Z2 adalah impedansi untuk

harmonisa orde ke-2 yang besarnya :

Z2 = 22 )2( LR ω+ (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 = VP =

2085000 = 24,04 Amp

1 pu impedansi = IV =

04,24208 = 8,65 Ω

1 pu ωt = 2πf = 377 rad/detik


1 pu induktansi = 377

65,8 = 23 mH

1 pu kapasitansi = 37765,8

1x

= 306,65 μF

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 ΔVo dihitung dengan pers. (2.1)

ΔVo = 0,05 x 2 x 208

= 14,7 Volt

Nilai impedansi Z2 dihitung dengan pers.(3.4)

Z2 = 22 )2( LR ω+

= 232 )103,23772(65,8 −+ xxx

= 8,822 Ω

Maka nilai Io,2 sesuai pers.(3.3)


Io,2 = 2Z

VV om ∆−

= 822,8

7,142082 −x

= 31,67 Amp ≡ 1,317 pu

Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2)

Cf = %)(22

100 2,

ripplexxxxVxI

Lp

o

ω

51212,12317,1100

xxxxx

= 8,31 pu

Maka nilai Cf sebenarnya = 8,31x306,65

= 2549,48 μF

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 μF dan filter Lr = 240 mH

serta Cr = 4.7 μF bentuk gelombang arus masukan penyearah adalah seperti pada

Gambar 3.12.


Vs

D4 D2

D3D1

RL VL

ILIs

Cf

Lr

Cr

Io

Gambar 3.13 Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan filter parallel-resonant

Gambar 3.14 Bentuk gelombang arus masukan (bagian atas) dan tegangan masukan


(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 = 3CrX

atau Cr = rL29

1ω

(pers.3.5)

Impedansi total dari rangkaian, ZTOT adalah :

CrLrTOT ZZZ111

+= (pers.3.6)

Dimana untuk harmonisa orde ke-2 dengan frekuensi 2f (120 Hz) maka nilai impedansi

L dan C adalah :

ZLr = 2ωLr (pers.3.7)

ZCr = rCω2

1 (pers.3.8)


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

metode penyearah pada Gambar 3.13 adalah seperti Gambar 3.16 berikut.


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 = VP =

2085000 = 24,04 Amp

1 pu impedansi = IV =

04,24208 = 8,65 Ω

1 pu ωt = 2πf = 377 rad/detik


1 pu induktansi = 377

65,8 = 23 mH

1 pu kapasitansi = 37765,8

1x

= 306,65 μF

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 = rL29

1ω

= 31,019

12 xx

= 0,3584 pu

Nilai Cr sebenarnya = 0,3584 x 306,65

= 109,9 μF

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 = 2ωLr = 2 x 377 x 7,13 x 10-3

= 5,376 Ω

Sementara ZCr dari pers.(3.8) menghasilkan :


rCr CZ ω211

=

= 6109,10937721

−xxx

ZCr = 12,067 Ω

Maka ZTOT sesuai pers.(3.6)

CrLrTOT ZZZ111

+=

= 067,121

376,51

+

ZTOT = 3,72 Ω

Arus riak orde ke-2 keluaran penyearah dihitung dengan persamaan berikut ini :

Io,2 = LTOT

oL

RZVV

+∆−

(pers.3.9)

memberikan Io,2 = 65,872,3

7,1496,232+−

= 17,64 Amp ≡ 04,2464,17

≡ 0,734 pu

Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2) untuk riak tegangan keluaran 5%.

Cf = %)(22

100 2,

ripplexxxxVxI

Lp

o

ω

= 51212,12

734,0100xxxx

x

≡ 4,634 pu

Maka nilai Cf sebenarnya = 4,634x306,65


Cf = 1421 μF

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 Ω


Induktansi Lf = 2,3 mH

Kapasitansi Cf = 2549,48 μF

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 Ω ≡ 1,0 pu

• Nilai Lf = 2,3 mH

• Nilai Cf = 2549,48 μF

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 Ω ≡ 0,5 pu, 12,975 Ω ≡ 1,5 pu dan

17,3 Ω ≡ 2,0 pu.

8. Ulangi langkah 3 sampai 6 untuk tiap nilai R pada langkah 7.


IV.4 Data hasil simulasi dengan metode konvensional

Data hasil simulasi untuk tiap nilai R yang berbeda selengkapnya terdapat pada

Tabel 4.1.


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

satu fasa dioda jembatan metode konvensional dengan beban 1,0 pu.


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)

η = AC

DC

PP

= %10064596362 x

= 98,49 %

Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan

pers.(2.6).

VAC = 22DCRMS VV − = 22 46.234235 −

= 15,921 Volt

Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7)

FF = DC

RMS

VV

= 46,234

235

= 1,002


Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8)

RF = DC

AC

VV

= 46,234

921,15

= 0,0679 atau 6,79 %

Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9)

TUF = SS

DC

IVP

= 56,39208

6362x

= 0,773

Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2)

PF = in

in

SP

= 82286459

= 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:

Resistansi beban R = 8,65 Ω


Induktansi Lr = 7,13 mH

Kapasitansi Cr = 109,9 μF

Kapasitnasi Cf = 1421 μF

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 Ω ≡ 1,0 pu

• Nilai Lr = 7,13 mH

• Nilai Cr = 109,9 μF

• Nilai Cf = 1421 μF

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 Ω ≡ 0,5 pu, 12,975 Ω ≡ 1,5 pu dan


17,3 Ω ≡ 2,0 pu.

8. Ulangi langkah 3 sampai 6 untuk tiap nilai R pada langkah 7.


Gambar 4.5 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) masukan penyearah

satu fasa metode filter parallel-resonant dengan beban 1,0 pu.

Gambar 4.6 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) keluaran penyearah


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)

η = AC

DC

PP

= %10062816260 x

= 99,66 %

Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan

pers.(2.6).


VAC = 22DCRMS VV − = 22 7,2321,233 −

= 13,65 Volt

Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7)

FF = DC

RMS

VV

= 7,2321,233

= 1,001

Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8)

RF = DC

AC

VV

= 7,232

65,13

= 0,0586 atau 5,86 %

Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9)

TUF = SS

DC

IVP

= 8,31208

6260x

= 0,9464

Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2)

PF = in

in

SP

= 66156340

= 0,958

Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode filter parallel-resonant

selengkapnya terdapat pada Tabel 4.4.


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.


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.

Tugas Akhir - repository.usu.ac.idrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/11843/1/09E00043.pdf ·...

Documents

Transcript of Tugas Akhir - repository.usu.ac.idrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/11843/1/09E00043.pdf ·...