1 MAKAAH SEMINA TUGAS AKHI Simulasi Kerusakan Thyristor Pada Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Dengan Beban C Oleh : Haikal (F 00 57) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Abstrak Sumber tegangan DC sangat banyak digunakan di prik-prik dan alat transportasi, salah satunya adalah digunakan pada pengaturan motor DC. Salah satu cara untuk mendapatkan tegangan DC yaitu dengan merubah sumber tegangan menjadi tegangan DC yang dapat diatur tegangan keluarannya. Penyearah yang sering digunakan adalah penyearah tiga fasa terkontrol penuh. Dalam Tugas Akhir ini, dilakukan simulasi untuk mengamati kerusakan pada thyristor dalam suatu rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh, dengan beban yang digunakan yaitu antara resistif, induktif, dan kapasitif. Berdasarkan hasil simulasi diperoleh bahwa kerusakan pada thyristor akan memperkecil tegangan keluaran dan arus beban, memperbesar THD yang akhirnya akan memperkecil faktor daya. Faktor-faktor yang mempengaruhi bentuk gelombang keluaran dan arus beban adalah besarnya tegangan masukan, perubahan frekuensi masukan, perubahan sudut picu thyristor, besarnya beban, dan kondisi masing-masing thyristor. I. PENDAHUUAN 1.1 atar Belakang Pada dunia industri sekarang ini kebutuhan akan sumber DC semakin meningkat, diantaranya untuk mensuplai beban DC seperti motor yang banyak digunakan pada prik-prik dan alat transportasi. Ada berbagai cara untuk mendapatkan tegangan DC, dan penyearah. Dalam Tugas Akhir ini akan membahas penggunaan penyearah jembatan terkontrol penuh tiga fasa. Penyearah tiga fasa sering dijumpai secara luas untuk berbagai aplikasi pada bidang industri. Dalam penggunaan penyearah ini perlu dilakukan pertimbangan lebih jauh, karena penyearah ini akan menghasilkan harmonisa pada sisi masukan, yang pada akhirnya akan mempengaruhi sistem tenaga listrik. Disamping itu tegangan yang rata pada keluaran merupakan hal lain yang perlu dipertimbangkan. Keluaran dari penyearah akan dipengaruhi oleh besarnya tegangan masukan, frekuensi masukan, sudut picu dari masing-masing thyristor, dan kondisi masingmasing thyristor. Dalam Tugas Akhir ini akan mensimulasikan dan menganalisa faktor-faktor yang mempengaruhi kerja penyearah di atas, baik penyearah dalam keadaan normal maupun gangguan. Yang dimaksud keadaan gangguan yaitu kondisi thyristor penyusunnya dalam keadaan hubung singkat atau hubung buka. Beban yang digunakan dalam simulasi ini adalah beban C yaitu beban yang dikombinasikan antara resistansi, induktansi, dan kapasitansi yang terhubung seri. Besarnya beban akan mempengaruhi konduksi arus dari penyearah Simulasi pada Tugas Akhir ini menggunakan program Pspice versi 6.. Hasil dari simulasi ini berupa bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran dari penyearah. 1. Tujuan 1. Mensimulasikan penyearah jembatan terkontrol penuh tiga fasa dengan beban C dalam berbagai variasi kondisi dari thyristor penyusunnya (normal, hubung buka, dan hubung singkat).. Menganalisa tegangan dan arus keluaran dari penyearah dengan beban C dalam berbagai variasi kondisi dari thyristor penyusunnya (normal, hubung buka, dan hubung singkat).. Menganalisa pengaruh perubahan tegangan masukan, sudut picu, dan frekuensi. 1.. Pembatasan Masalah 1. angkaian penyearah tiga fasa ini menggunakan rangkaian penyearah jembatan terkontrol penuh.. Tidak membahas filter.. Tegangan masukan adalah tegangan gelombang sinusiodal murni. 4. Beban yang digunakan adalah beban C yang terhubung seri. 5. Pemrograman komputer menggunakan Pspice. II. DASA TEOI.1 Sumber Tegangan Tiga Fasa Hampir semua listrik yang digunakan oleh industri, dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dalam sistem tiga fasa. Sistem tiga fasa ini memiliki besar yang sama (untuk arus dan tegangan) tetapi mempunyai perbedaan sudut sebesar 10 o antar fasanya. Sumbu ini disebut juga sumbu yang seimbang.
Apila sumber mensuplai sebuah beban seimbang, maka arus-arus yang mengalir pada masing-masing penghantar akan memiliki besar yang sama dan berbeda sudut fasa sebesar 10 o satu sama lain. Arus-arus ini disebut arus seimbang. n Ia Ic Ib (a) (b) Gambar.1 (a) angkaian sistem tiga fasa urutan c, (b) Diagram fasor sebuah sistem seimbang Sistem pada gambar.1 disebut sistem urutan c, V di mana fasa b tertinggal 10 o terhadap fasa a, dan fasa c I 1 cos tertinggal 10 o terhadap fasa b. Hanya satu kemungkinan urutan lagi selain urutan c, yaitu urutan acb. Beban V - I 1 cos pada gambar.1a dihubungkan dengan cara hubungan Y. di mana: Dalam hubungan tipe Y ini tegangannya adalah tegangan V - tegangan fasa ke fasa kawat netral dan arus yang mengalir pada tiap fasa beban I 1 arus fasa ke fasa adalah arus kawat. Tegangan antara masing-masing kawat (saluran) dapat dihitung sebagai berikut:. angk.aian Penyearah Tiga Fasa Terkontrol V V an + V nb V an - V bn Penuh (.1) V bc V bn -V cn (.) V ca V cn - V an Vca Vbc Gambar. Diagram fasor tegangan kawat urutan c Untuk sistem seimbang, maka masing-masing tegangan fasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka: V an V bn V cn V f Dengan V f adalah harga efektif dari nilai magnitude tegangan fasa. Jadi, n Vnb 0 o V Ib Ic V V bc V f 0 o V f -90 o V ca V f 150 o Dari hasil di atas terlihat bahwa saluran tersebut membentuk suatu sistem tiga fasa yang seimbang dengan magnitudenya adalah kali magnitude dari tegangan fasa. [1] Daya yang digunakan pada masing-masing fasa pada beban adalah: P 1Φ V N I 1 cos di mana: I 1 arus I a cos faktor daya untuk sistem yang seimbang, daya total yang dipergunakan adalah: P T P Φ V N I 1 cos Penyearah tiga fasa sering digunakan pada banyak aplikasi di industri untuk pengendalian motor listrik. Pada rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol gelombang penuh menggunakan 6 buah thyristor terhubung seri, dengan sumber tegangan tiga fasa terhubung bintang (star), dan dihubungkan dengan beban induktif. angkaian ini dikenal dengan sebagai jembatan tiga fasa. Thyristor dinyalakan pada interval /. Frekuensi ripple tegangan keluaran akan 6f s dan kebutuhan proses filtering menjadi lebih ringan dari konverter gelombang setengah maupun semikonverter tiga fasa. Pada ωt /6 + α, thyristor T 6 telah tersambung dan thyristor T 1 akan dinyalakan. Selama interval (/6 + α) ωt (/ + α), thyristor T 1 dan T 6 tersambung dan tegangan line to line V (V an V bn ) akan muncul sepanjang beban. Jika tegangan line to neutral didefinisikan sebagai: V an V M sin ωt V bn V M sin ωt V an V f 0 o V cn V M sin ωt (.4) V bn V f -10 o (.5) V cn V f -40 o V f 10 o (.6) Dengan menggunakan persamaan tersebut, maka persamaan (.1) menjadi: Ia
n a b c io ia ib ic i T1 T1 T T5 + Vo Beban io ia Beban induktif yang tinggi di dt untuk maka: i i V E α ωt' sin ( ωt' θ) - E V I α 1 sin ωt' E V sin α θ e /α t ω Untuk menentukan arus beban penyearah tiga fasa terkontrol penuh dengan menentukan tegangan keluarannya: v o v V sin ωt 6 untuk α ωt α 6 v V sin ωt untuk α ωt' α dengan ωt' ωt 6 T4 T6 T, dan V adalah tegangan rms masukan fasa ke fasa, pemilihan v sebagai tegangan acuan waktu, arus beban dapat diperoleh dari: _ 1 ( ω ) dan θ tan ( ω/ ) dengan 1 / i T4 Gambar. angkaian penyearah gelombang penuh dengan Pada keadaan tunak, I ωt' α beban induktif. I Tegangan line to line yang bersesuaian akan diperoleh ωt' α I 1 sebagai: Penerapan kondisi ini ke persamaan di atas maka akan V V an V bn V M sin diperoleh I 1 : ωt (.15) 6 -(/) ( / ) V bc V bn V cn V M sin I V sin ( / α - θ) - sin( / α - θ)e E 1 (/) ( / ω 1 e ωt (.16) ) (.5) V ca V cn V an V M sin 5 Arus rms dari thyristor dapat ditentukan yaitu: ωt 1 / 6 1 / α I i d( ωt ) / α Tegangan keluaran rata-rata diperoleh dari: / α V dc Arus keluaran rms dapat ditentukan yaitu: V d(ωt) /6 α Irms I / α V M sin Arus rata-rata thyristor dapat ditentukan dengan /6 α ωt d(ωt) 6 menggunakan persamaan berikut: V 1 / α M cos α I A i d( ωt ) /α Tegangan keluaran rata-rata maksimum untuk sudut Arus keluaran beban rata-rata adalah: penyalaan, α 0 Idc I A V V dm M (.19) III. PEANCANGAN SIMUASI Nilai rms tegangan keluaran akan diperoleh sebagai.1 Algoritma Pemrograman berikut: 1 / / α V rms Algoritma pemrograman dari simulasi penyearah V /6 α M sin ωt d ( ωt ) 6 jembatan terkontrol penuh dengan menggunakan pemrograman Pspice adalah sebagai berikut: 1/ 1 1. Menentukan bentuk V M cos α (.0) rangkaian penyearah jembatan 4 terkontrol penuh dan menentukan node (titik) pada tiap komponen yang menyusunnya.. Membuat listing program dengan memperhatikan. Perhitungan untuk arus beban dengan beban gambar rangkaian yang dilengkapi dengan node yang telah dibuat pada algoritma 1.. Membuat gambar tegangan dan arus keluaran, serta analisa fourier hasil dari pemrograman Pspice.. angkah-angkah Pemrograman Simulasi dengan Pspice Pada umumnya penyusunan daftar program Pspice disusun berdasarkan pada sifat rangkaian listrik. Setiap titik (node) diberi indeks tertentu. Pemberian indeks didasarkan pada level tegangan antara dua titik dan seterusnya. Untuk menentukan besarnya arus pada setiap jalur (line) dapat ditentukan melalui komponen yang terhubung seri. Sebagai contoh:
4 1. Tegangan sumber fasa dinyatakan dengan VAN 14 0 SIN(0 169.7V 60H) VBN 0 SIN(0 169.7V 60H 0 0 10DEG) VCN 0 SIN(0 169.7V 60H 0 0 +10DEG). Beban rangkaian didefinisikan sebagai: load 4 6 5 load 6 7 6.5mH Cload 7 15 10uF. Penentuan sudut picu Untuk sudut picu 60 o, penulisan pada Pspice adalah sebagai berikut: Waktu tunda t 1 90 60 10 1000 60Hz 1000 1000 4166,7s Waktu tunda t 1000 97,s 60 60Hz Waktu tunda t 5 0 1000 10001577,8 s 60 60Hz Waktu tunda t 150 1000 1000 6944,4s 60 60Hz Waktu tunda t 4 70 1000 10001500,0 s 60 60Hz 0 1000 Waktu tunda t 6 1000 188,9 s 60 60Hz 4. angkaian thyristor didefinisikan sebagai: XT1 1 4 8 4 SC XT 4 9 4 SC XT5 4 10 4 SC XT 5 11 SC XT4 5 1 1 1 SC XT6 5 1 SC Khusus untuk komponen thyristor perlu didefinisikan dalam suatu sub program berdasarkan rangkaian berikut: 1 Berdasarkan gambar pemodelan rangkaian thyristor pada gambar. selanjutnya program model thyristor disusun sebagai berikut: *Pemodelan Thyristor.SUBSCKT SC 1 S1 1 5 6 SMOD SNUB 1 8 00.0 CSNUB 8 1UF G 4 50 VX 4 DC 0V VY 5 7 DC 0V DT 7 DMOD T 6 1 CT 6 10UF F1 6 POY() VX VY 0 50 11.MODE SMOD VSSWITCH (ON0.0105 OFF10E+5 VON0.5 VOFF0V).MODE DMOD D(1S.E-15 BV100V TT0 CJO0).ENDS SC Pada contoh yang diberikan di atas, digunakan superdioda dengan parameter IS. E-15, BV 100 V, TT 0, dan CJO 0, dan parameter ON 0.0015, OFF 10 E+5, V ON 0.5 V, dan V OFF 0 V. 5. Penentuan besarnya arus Penentuan besarnya arus pada cang tertentu dapat dilakukan dengan memasangkan sumber tegangan arus searah DC pada line yang akan diukur. Contoh: VY1 14 1 DC 0V 6. Penentuan besarnya tegangan Penentuan besarnya tegangan dapat langsung dilakukan berdasakan titik (node) pada ujung pangkal komponen. A G K 0 Gambar.1 angkaian Thyristor 1 A G S1 Vy 0 V V0 T 4 0 V Vx CT 5 DT K F1 6 Gambar. Pemodelan Thyristor
5.. Diagram Alir Pemrograman MUAI Masukan data-data: Tegangan masukan (V S ), frekuensi (f), sudut picu (), tahanan (), induktansi (), dan kapasitansi (C) Menentukan salah satu fasa dari penyearah tiga fasa (ST) pada simulasi kerusakan thyristor untuk tiap kondisi Menentukan kondisi beban dengan cara membandingkan antara,, dan C Menentukan kondisi thyristor setiap fasanya: a) Normal b) Hubung singkat c) Hubung buka Menentukan Sudut picu Membuat grafik: a) arus beban b) tegangan keluaran SEESAI Gambar. Diagram alir pemrograman IV. PENGUJIAN DAN ANAISA POGAM SIMUASI 4.1 Simulasi dengan Pspice Untuk membuat simulasi dengan Pspice ini, terlebih dahulu kita harus menginstal Microsim Eval 6.. Kita dapat menjalankan Pspice dengan mengklik icon Pspice hasil dari instalan tadi. isting Program Pspice seperti yang telah dicontohkan pada b sebelumnya, kita simpan dalam file berekstensi cir. Untuk mensimulasikan file tersebut, dari tampilan awal kita dapat memilih open dari toolbar file dan akan muncul tampilan, dari sini kita bisa memilih file mana yang akan kita simulasikan. Apila file yang kita simulasikan berhasil akan kita lihat informasi. Keluaran dari simulasi menggunakan Pspice ini ada macam yaitu grafik (dengan memilih un Probe) dan data berupa analisa Fourier (dengan memilih Examine Output). Jika kita memilih un Probe akan muncul tampilan, dan untuk mengamati tegangan atau arus yang kita inginkan kita dapat menambahkan trace dan memilih titik mana yang akan kita mati. Apila Examine output yang kita pilih kita dapat melihat analisa Fourier dari rangkaian yang kita simulasikan, output ini secara otomatis tersimpan dalam file namafile.out. 4. Hasil Simulasi dan Analisis Pada analisis hasil simulasi ini akan dibahas pengaruh tegangan masukan, tegangan keluaran, arus beban, bebannya adalah (resistansi, induktansi, dan kapasitansi C), serta pengaruh kerusakan SC terhadap keluaran penyearah. Pada Tugas Akhir ini menitikberatkan pengaruh kerusakan SC tehadap kerja penyearah, mulai dari tegangan yang dihasilkan, arus yang dialirkan, harmonisa yang ditimbulkan, serta akibat lain yang ditimbulkan karena kerusakan SC. 4..1 Analisis Pengaruh Kondisi SC dan Perbandingan Beban Terhadap Keluaran Penyearah Analisa gelombang: Kondisi semua SC normal Pada rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol gelombang penuh menggunakan 6 buah SC terhubung seri, dengan sumber tegangan tiga fasa terhubung bintang (star). Jika SC dinyalakan pada interval /. Frekuensi ripple tegangan keluaran akan 6f s. Pada ωt /6 + α, SC T 6 telah tersambung dan SC T 1 akan dinyalakan. Selama interval (/6 + α) ωt (/ + α), SC T 1 dan T 6 tersambung dan tegangan line to line V (V an V bn ) akan muncul sepanjang beban dan kembali ke sumber, pada siklus berikutnya SC T dan T tersambung, SC T 5 dan T 4 juga tersambung tegangan line to line V bc (V bn V cn ), V ca (V cn V an ) akan muncul sepanjang beban dan kembali ke sumber, Jika SC diberi nomer barisan penyalaan, maka akan menjadi 1-, -, -4, 4-5, 5-6, dan 6-1. Kondisi SC1 hubung buka Pada rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol gelombang penuh menggunakan 6 buah SC terhubung seri, dengan sumber tegangan tiga fasa terhubung bintang (star). Jika SC dinyalakan pada interval /. Frekuensi ripple tegangan keluaran akan 6f s. Pada ωt /6+α, SC T 6 telah tersambung tetapi kondisi SC T 1 terhubung buka maka tidak ada arus yang mengalir ke beban karena T 1 yang bersifat bias mundur, pada siklus berikutnya yaitu selama interval (/+α) ωt (5/6+α) yaitu saat T mulai dipicu maka tegangan line to line V ac (V an V cn ) akan sama dengan nol karena kondisi T 1 yang tidak terhubung sampai siklus selanjutnya yaitu pada saat T
6 dipicu. Selama interval (5/6+α) ωt (/), SC T dan T dipicu maka tegangan line to line V bc (V bn V cn ) akan muncul sepanjang beban, pada siklus berikutnya yaitu selama interval (/) ωt (/+α), SC T dan T 4 tersambung dan T 4 dipicu maka tegangan line to line V ba (V bn V an ) akan muncul sepanjang beban. Selama interval (/ +α) ωt (11/6+α), SC T 4 dan T 5 dipicu maka tegangan line to line V ca (V cn V an ) akan muncul sepanjang beban, pada siklus berikutnya yaitu selama interval (11/6+α) ωt (5/+α), SC T 5 dan T 6 tersambung dan T 6 dipicu maka tegangan line to line V cb (V cn V bn ) akan muncul sepanjang beban. Jika SC diberi nomer barisan penyalaan, maka akan menjadi -4, 4-5, 5-6, dan 6-1. Dari berbagai bentuk gelombang tegangan keluaran di atas dapat kita lihat bahwa tegangan keluaran penyearah pada kondisi normal lebih besar dari pada tegangan keluaran pada penyearah dengan kondisi gangguan. Jadi dapat dikatakan bahwa kerusakan thyristor dapat menurunkan tegangan keluaran dari penyearah. a. Perhitungan untuk tegangan keluaran rata-rata: V dc / α /6 α / α /6 α V d(ωt) V M cos α V M sin diketahui: V M 169,7 Volt cos α 60 o f 60 Hz ditanya: V dc jaw: ωt d(ωt) 6 V dc V M cos α 169,7 cos 60 o,14 140,41 Volt b. Nilai rms dari tegangan keluaran adalah: V rms [ / α V M sin /6 α ωt d(ωt) ] 1/ 6 1 V M cos α 4 diketahui: V M 169,7 Volt cos α 60 o f 60 Hz ditanya: V rms jaw: 1/ V rms 1 V M cos α 4 1/ 1/ 1 o x 169,7 cos10 159,14 Volt 1,56 c. Perhitungan untuk arus beban dengan beban : V rms I rms I dc V dc Untuk kondisi normal dengan beban diketahui: V rms 159,14 Volt V dc 140,41 Volt 5 ohm ditanya: I rms dan I dc jaw: I rms V rms 159,14 5 1,8 Amp I dc V dc 140,41 5 8,08 Amp V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan 1. Gelombang antara tegangan keluaran dan arus beban pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh pada kondisi semua thyristor normal akan berbeda dengan saat terjadi gangguan. Karena pada kondisi normal tegangan keluaran mempunyai ripple 6f S, sedangkan pada kondisi gangguan tidak 6f S (tergantung dari gangguannya).. Tegangan keluaran dan arus beban pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh pada kondisi thyristor normal akan lebih besar dibandingkan pada kondisi gangguan. Karena pada kondisi normal tegangan keluaran mempunyai ripple 6f S, sedangkan pada kondisi gangguan tidak 6f S (tergantung dari gangguannya).. Perubahan sudut picu akan mempengaruhi tegangan keluaran rata-rata, semakin besar sudut picu maka akan semakin kecil tegangan keluaran rata-rata. 4. Perubahan frekuensi masukan tidak akan mempengaruhi tegangan keluaran, tetapi hanya mempengaruhi impedansi sehingga akan menimbulkan perubahan pada arus beban dan jumlah gelombang dalam siklus per detik. 5. Saran 1. Beban diganti dengan motor sehingga kita dapat mengetahui pengaruh kerusakan thyristor terhadap pengemudian motor DC.. Tegangan dan arus yang diamati tidak hanya pada sisi keluaran saja akan tetapi dengan melihat kondisi penyearah secara keseluruhan.. Simulasi gangguan tidak hanya terjadi pada salah satu fasa saja, tetapi terjadi pada ketiga fasa.
7 DAFTA PUSTAKA 1. Hayt William H., Jr Jack Kemmerly, Pantur Silan, angkaian istrik Jilid 1, Erlangga, 1987.. Hayt William H., Jr Jack Kemmerly, Pantur Silan, angkaian istrik Jilid, Erlangga, 1987.. Ion Boldea, S. A. Nasar, Electric Drives, CC Press C, 1999. 4. Joseph A. Edminister, M.S.E, Teori dan Soal-Soal angkaian istrik Edisi Kedua, Erlangga, 1994. 5. ee Cherff Cisca, Ir., dan Muslimin Marapung, Ir., angkaian istrik, Armico, Bandung, 198. 6. Muhammad H. ashid, SPICE for Power Electronics and Electric Power, Prentice-Hall International Inc, 199. 7. Muhammad H. ashid, Power Electronic Circuit, Device, and Aplication, Prentice-Hall International Inc, 1988. 8. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. obbims, Power Electronics Converter, Aplications, and Design, John Wiley & Sons Inc, 1995. 9. Sulasno, Ir., Analisa Sistem Tenaga istrik, Satya Wacana, Semarang, 1998. 10. Vedam Subrahmanyam, Electric Drives Concept and Aplications, Tata McGraw-Hill Publishing Company imited, 1994. 11. aenudin ukhri, Analisis angkaian, J & J earning, Yogyakarta, 000. 1. uhal, Dasar Teknik Tenaga istrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1995. Mengetahui/Mengesahkan Pembimbing I Pembimbing II Ir. Agung Warsito, DHET NIP 11 668 485 Karnoto, ST NIP 1 16 547