SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 2/Mei 2014

Transkripsi

1 ANALISIS PENYEARAH TIGA FASA TERKONTROL PENUH DENGAN SIMULASI MATLAB Donal Siagian, Riswan Dinzi Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA Abstrak Di dunia industri banyak dijumpai beban-beban dc seperti seperti berbagai jenis motor dc, traksion dan sumber tegangan terkontrol sehingga diperlukan suatu sumber tegangan dc untuk mensuplai beban tersebut. Sumber tegangan dcdiperoleh dari suatu penyearah.penyearah yang sering digunakan adalah penyearah tiga fasa terkontrol penuh. Perubahan sudut picu, besar tegangan masukan, besar dan sifat beban sangat mempengaruhi keluaran penyearah. Sifat beban induktif akan sangat mempengaruhi konduksi penyearah yang kemudian mempengaruhi keluaran penyearah. Untuk mengetahui dan menganalisa pengaruh perubahan sudut picu, besar tegangan masukan, besar dan sifat beban terhadap keluaran penyearah dilakukan simulasi dengan menggunakan program Matlab untuk dua sifat beban yaitu beban resistif dan resistif induktif. Hasil simulasi berupa bentuk gelombang arus dan tegangan. Pada sudut picu sampai 60 0 untuk beban resistif dan resistif induktif keluaran penyearah ini tidak dipengaruhi oleh sifat beban. Pada sudut picu lebih besar dari 60 0 untuk beban resistif induktif keluaran penyearah dipengaruhi oleh sifat beban untuk nilai induktif yang sangat tinggi yaitu sampai 8 Henry arus beban bersifat kontiniu dan untuk nilai induktif yang kecil yaitu sampai 0,015 Henry arus beban bersifat diskontiniu. Kata kunci : Penyearah tiga fasa terkontrol penuh, Beban Resistif dan Beban Induktif. 1. Pendahuluan Pada dunia industri banyak dijumpai bebanbeban dc seperti motor dc.untuk mensuplai beban dc tersebut diperlukan sumber tegangan dc.sumber tegangan dc ini diperoleh dari suatu penyearah. Dalam tulisan ini akan membahas penyearah tiga fasa terkontrol penuh. Penyearah tiga fasa sering dijumpai secara luas untuk aplikasi pada bidang industri misalnya dalam proses elektrokimia, berbagai jenis motor drive, traksion dan sumber tegangan terkontrol [1].Dalam pemakaiannya yang perlu diperhatikan adalah keluaran dari penyearah ini sesuai dengan kebutuhan sumber tegangan dc yang diperlukan.perubahan sudut picu dan tegangan masukan sangat mempengaruhi keluaran penyearah.sifat beban juga mempengaruhi keluaran penyearah. Sifat beban induktif akan sangat mempengaruhi konduksi penyearah yang kemudian mempengaruhi keluaran penyearah. Dalam tulisan ini akan mensimulasikan dan menganalisa pengaruh sifat beban induktif terhadap keluaran penyearah. Beban yang digunakan dalam simulasi ini adalah beban resistif (R) dan bebanresistif induktif(rl). menggunakan program Matlab. Hasil simulasi berupa bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran dari penyearah. 2. 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 antara fasanya. Sistem ini disebut sistem seimbang tiga fasa. Apabila sumber mensuplai beban seimbang maka arus pada masing-masing penghantar akan memiliki besar yang sama danberbeda sudut sebesar satu sama lain. Arus-arus ini desebut arus seimbang. Gambar 1 (a) Rangkaian sistem tiga fasa urutan abc (b) Diagram fasor sebuah sistem seimbang [2] Sistem pada Gambar 1 (a) disebut sistem urutan abc, dimana fasa b tertinggal terhadap fasa a, dan fasa c tertinggal terhadap fasa b. Hanya satu kemungkinan urutan lagi selain urutan abc, yaitu urutan acb. copyright DTE FT USU 68

2 Beban pada Gambar 1 (a) dihubungkan dengan carahubungan wye (Y). Dalam hubungan tipe Y ini tegangannya adalah tegangan fasa netral dan arus yang mengalir pada tiap fasa beban adalah arus fasa netral. Selain sumber tegangan tiga fasa dalam sistem tenaga listrik juga ada tiga jenis sifatbeban yaitu beban resistif, induktif dan kapasitifdan masing-masing beban memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda-beda. Berikut akan dibahas beban resistif dan induktif. a. 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... (1) Dengan P = daya aktif yang diserap beban (Watt) V = tegangan yang mencatu beban (Volt) I = arus yang mengalir pada beban (Ampere) Rectifier ) yaitu jenis thyristor yang hanya dapat menghantarkan arus dalam satu arah saja.simbol thyristor ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2 Simbol thyristor [3] Thyristor merupakan komponen penyusun rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R terdiri dari 6 buah thyristor yang terpasang dalam tiga lengan, dimana masing-masing lengan terdiri dari 2 thyristor, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan 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. b. 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 dapatmengakibatkan 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) 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 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 Gambar 3 Rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R [4]. Bentuk-bentuk tegangan output dan input dapat dilihat pada Gambar 4. Dari gambar terlihat ada enam phasor yang berbeda pada gelombang input. Setiap phasor memiliki perbedaan sudut penghantar 60 0.Sudut penyalaan pulsa mempunyai batas antara 60 0 sampai Sudut penyalaan minim adalah 60 0 dan dianggap sebagai sudut penyalaan α = 0 pada 60 0 [4]. Dengan sudut penyalaan α = 0 0 dapat dijelaskan sebagai berikut, : a. Pada saat fasor (A-B) aktif pada interval 0 <α<π 3SCR 1 dan SCR 6 konduksi secara bersamaan selama 60 0 ini berarti bahwa tegangan SCR 1 lebih positif daripada tegangan SCR 3 dan SCR 5, sedangkan SCR 6 tegangannya lebih negatif dibandingkan tegangan SCR 2 dan SCR 4. b.berikutnya phasor (A-C) yang aktif pada interval π 3<α< 2 π 3 ini menyatakan bahwa SCR 1 dan SCR 2 konduksi secara bersamaan juga selama Secara berurutan pasangan thyristor copyright DTE FT USU 69

3 yang aktif dapat dinyatakan sebagai berikut,scr 1 - SCR 6, SCR 2 - SCR 3, SCR 3 SCR 4, SCR 4 - SCR 5, SCR 5 - SCR 6, dst. kontiniu dan tegangan keluaran turun sampai 0 pada α = π 2. Gambar 4 Bentuk gelombang tegangan suplai dengan tegangan beban pada sudut penyalaan yang berbeda [4]. Ditinjau dari besar sudut penyalaannya ada dua sifat penghantar yaitu, 1. Untuk interval 0 α π 3(arus keluaran kontiniu) Tegangan beban rata-rata, V = 6 2π 2E sin (ωt + π 3 ) d ωt V = E cos α.. (3) Nilai rms tegangan beban V = 6 2π 2E sin ωt + π d (ωt) 3 = E1 + cos 2α. (4) 2. Untuk interval π 3 α 2 π 3 (arus keluaran diskontiniu) Tegangan beban rata-rata V = 6 2π 2 E sin (ωt + π 3 ) d ωt V = E(1 + cos(α + π 3)).(5) Nilai rms Tegangan beban V = 6 2π 2E sin ωt π d (ωt) 3 = E + sin 2 + α..(6) Dimana Eadalah harga rms tegangan line. Sedangkan prinsip kerja penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL sama dengan penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R,rangkaian penyearah tiga fasa beban RL ditunjukkan pada Gambar 5, hanya pada beban karakteristik keluarannya tertentu pada sudut penyalaan yang lebih tinggi. Arus beban selalu Gambar 5 Rangkaian Penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL[4]. Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL, SCR konduksi selama tidak tergantung dari nilai α tidak seperti rangkaian enam pulsa setengah gelombang yang mana thyristor konduksi selama π 3seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6 Bentuk gelobang keluaran tegangan dan arus penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL [4]. Tegangan rata-rata beban, V = 6 2 2π V = ( ) E sin ωt + π d (ωt) 3 E cos α. (7) Tegangan keluaran rata-rata menjadi nol pada α = π 2 dan menjadi negatifpadainterval π 2 α π. Pada sudut tunda α > π 2 rangkaian ini akanbertindak sebagai inverter.nilai rms tegangan beban, V = 6 2π 2(E ) ( ) sin ωt + π 3 d (ωt) V = E 1 + cos 2α. (8) DimanaE adalah adalah harga rms tegangan line copyright DTE FT USU 70

4 3. Metode Penelitian Penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban resistif dan resistif induktif disimulasikan dengan menggunakan Program Matlab dengan diagram alir seperti pada Gambar 7. Hasil simulasi berupa bentuk gelombang arus dan tegangan pada beban. Gambar 8 Bentuk gelombang tegangan pada beban sudut picu 60 0 Gambar 9 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 60 0 Gambar 7 Diagram Alir Pemogram 4. Hasil dan Analisis Analisa yang dilakukan berdasarkan hasil simulasi dengan menggunakan program matlab yaitu bentuk gelombangarus dan tegangan pada beban. Ada dua kondisi beban pada pembahsan ini yaitu beban resistif murni (R )dan beban resistif induktif (RL) Untuk beban resistif simulasi dilakukan dengan 3 variasi sudut picu yaitu 60 0, 75 0, Dari simulasi yang dilalukan diperoleh bentuk bentuk gelombang tegangan seperti pada Gambar 8, 10 dan 12 dan gelombang arus pada Gambar 9, 11 dan 13. Gambar 10 Bentuk gelombang tegangan pada beban sudut picu 75 0 Gambar 11 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 75 0 copyright DTE FT USU 71

5 Gambar 12 Bentuk gelombang tegangan pada Gambar 14 dan 16 dan gelombang arus seperti pada Gambar 15 dan 17. Gambar 13 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 90 0 Pada sudut picu 60 0 arus pada beban bersifat kontiniu namun pada sudut picu 75 0 dan 90 0 arus pada beban bersiat diskontiniu. Dari hasil simulasi terlihat bahwa semakin besar sudut picu maka semakin kecil bentuk gelombang tegangan dan arus pada beban.dan hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa untuk sudut picu yang semakin besar nilai tegangan keluaran nya semakin kecil. Berikut perhitungan tegangan pada beban, a. untuk sudut picu 60 0 Tegangan keluaran rata-rata, V adalah V = 220 x cos 600 = 148,552 Volt Dan nilai rms tegangan keluaran, V adalah V = cos 2 x 60 = 168,48 Volt b. untuk sudut picu 75 0 Tegangan keluaran rata-rata, V adalah Tegangan keluaran rata-rata, V adalah ωt V = 220 ( 1 + cos ( π 3 ) ) = 87,019 V Nilai rms tegangan keluaran, V adalah V = sin =112,2 V c. untuk sudut picu 90 0 Tegangan keluaran rata-rata, V adalah V = 220 ( 1 + cos ( π 3 ) )= 39,80 Volt Nilai rms tegangan keluaran, V adalah V = π π sin 2 π = 63,77Volt Selanjutnya simulasi dilakukan pada beban RL untuk melihat pengaruh nilai induktansi terhadap keluaran penyearah yaitu untuk nilai induktansi yang besar (sampai 8 Henry) dan untuk nilai induktansi yang kecil (sampai 0,015 Henry). Untuk besar induktansi sampai 8 Henry simulasi dilakukan untuk 2 variasi sudut picu yaitu 75 0 dan 90 0 dengan hasil simulasi berupa bentuk gelombang tegangan seperti pada Gambar 14 Bentuk gelombang tegangan pada beban sudut picu 75 0 Arus (A) Gambar 15 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 75 0 Gambar 16 Bentuk gelombang tegangan pada Gambar 17 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 90 0 Pada sudut picu 75 0 dan 90 0 terlihat bahwa arus pada beban bersifat kontiniu hal ini disebabkan karena nilai induktansi 8 Henry sangat berpengaruh terhadap keluaran penyearah karena induktansi ini akan menyebabkan arus pada beban tetap mengalir meskipun SCR telah dalam posisi off (sudah tidak menerima pulsa trigger lagi). Untuk sudut picu yang semakin besar maka tegangan pada sisi keluaran akan copyright DTE FT USU 72

6 semakin kecil. Hal ini dapat ditunjukkan melalui hasil perhitungan berikut ini, : a. untuk sudut picu 75 0 Tegangan keluaran rata-rata, V adalah V = 220 x cos 750 = Volt Dan nilai rms tegangan keluaran, V = cos 2 x 75 = 117,20 Volt b. untuk sudut picu 90 0 Tegangan keluaran rata-rata, V adalah V = 220 x cos 900 = 0 Volt Nilai rms tegangan keluaran, V = cos 2 x 90 = 91,50 Volt. Sedangkan nilai induktansi sampai 0,015Henry simulasi dilakukan untuk 2 variasi sudut picu yaitu 75 0 dan 90 0 dengan hasil simulasi berupa bentuk gelombang tegangan seperti pada Gambar 18 dan 20 dan gelombang arus seperti pada Gambar 19 dan 21. Gambar 20 Bentuk gelombang tegangan pada Arus (A) Gambar 21 Bentuk gelombang tegangan pada Gambar 18 Bentuk gelombang tegangan pada beban sudut picu 75 0 Gambar 19 Bentuk gelombang arus pada beban sudut picu 75 0 Besar induktansi yang digunakan dalam simulasi ini adalah 0,015 Henry dengan beban resistif 27 ohm.pada sudut picu 75 0 dan 90 0 terlihat bahwa arus pada beban bersifat diskontiniu hal ini disebabkan karena nilai induktansi 0,015 Henry tidak cukup besar untuk memaksa SCR tetap on saat SCR sudah tidak menerima pulsa trigger lagi. 5. Kesimpulan Dari analisis bentuk gelombang tegangan dan arus pada beban maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut, 1. Bentuk gelombang tegangan keluaran dan arus beban penyearah tiga fasa terkontrol penuh baik untukbeban R maupun beban RL bergantung dari besarnya nilai tegangan masukan, sudut triger dan sifat beban. 2. Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh untuk beban R dan RL dengan sudut picu 60 0 bentuk gelombang tegangan keluaran dan arus bebannya tidak dipengaruhi oleh sifat beban. 3. Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R untuk sudut trigger lebih besar dari 60 0 arus beban bersifat diskontiniu, namun pada beban RL arus beban bersifat kontiniu tergantung pada besar induktansi bebannya. copyright DTE FT USU 73

7 6. Daftar Pustaka [1] Muhammad H. Rashid, Power Electronic Handbook.Prentice-Hall InternationalInc, [2] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, [3] Muhammad H. Rashid, Elektronika Daya,Rangkaian, Devais, dan Aplikasinya, Prentice-Hall InternationalInc, [4] P.C Sen, Power Electronic, Tata- McGrawhill publishing company limited, copyright DTE FT USU 74