APPLIKASI PERANGKAT LUNAK SIMULASI SEBAGAI ALAT BANTU UNTUK MEMPELAJARI RANGKAIAN KONVERTER DAYA Asnil 1 ABSTRACT Power Electronics is one of the most important fields of electrical engineering. Power electronics technology includes several models of converter. Converter is an application of circuit theory and design techniques, one of them is rectifiers. The use of computer software in the learning process is very helpful to simulate, analysis, and make the design of a series of mainly related to power electronics. Computer simulation is a model of the actual so that the simulation can easily learn the work process and the behavior of an existing system. This paper shows the simulation of some form of power electronics circuits using PSIM software and simulation results in the voltage and current waveforms, where the software is used in this paper is the demo version of PSIM 9.2. Keyword : PSIM, Simulation, Rectifier. INTISARI Elektronika Daya merupakan salah satu mata pelajaran yang sangat penting dari teknik listrik. Teknologi elektronika daya mencakup berbagai model dari konverter. Konverter ini merupakan penerapan dari teori rangkaian dan teknik desain, salah satunya mengenai rangkaian penyearah. Penggunaan perangkat lunak komputer dalam proses pembelajaran sangat membantu untuk mensimulasikan, menganalisis, dan membuat desain sebuah rangkaian terutama yang berhubungan dengan elektronika daya. Simulasi komputer merupakan model dari yang sebenarnya sehingga dengan simulasi dapat dengan mudah mempelajari proses kerja dan prilaku sebuah sistem yang ada. Banyak jenis perangkat lunak simulasi yang dapat digunakan sebagai alat bantu dalam proses pembelajaran di bidang teknik listrik, diantaranya MATLAB, PSIM, MULTISIM, PSPICE dan lainnya. Tulisan ini menyajikan simulasi beberapa bentuk rangkaian elektronika daya menggunakan perangkat lunak PSIM dan menghasilkan simulasi dalam bentuk gelombang tegangan dan arus, dimana perangkat lunak PSIM yang digunakan pada tulisan ini adalah PSIM demo versi 9.2 Kata Kunci : PSIM, Simulasi, Penyearah. 1 Dosen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang 1
PENDAHULUAN Elektronika Daya merupakan salah satu mata pelajaran yang sangat penting di teknik listrik. Pelajaran Elektronika daya mencakup berbagai bentuk dari konverter, mulai dari konversi AC ke DC yang biasa dikenal dengan rectifier, konversi dari DC ke DC atau yang dikenal dengan choppers, konversi DC ke AC atau Inverters, dan konversi AC ke AC atau AC Voltage controllers, baik yang bisa dikendalikan maupun tidak. Elektronika daya merupakan aplikasi dari solid-state untuk kontrol dan konversi energi listrik. Semua model konverter ini bisa ditemukan dimana ada kebutuhan untuk mengubah energi listrik baik dalam bentuk modifikasi tegangan, arus maupun frekuensi. Penggunaan perangkat lunak komputer untuk mensimulasikan model konverter untuk mengetahui dan mempelajari proses kerja serta perilaku dari sebuah konverter sangat membantu dalam proses pembelajaran elektronika daya baik teori maupun pratikum. Selain dari itu, penggunaan simulasi komputer sangat membantu dalam proses mendesain sebuah konverter. Model yang dipakai dalam simulasi merupakan gambaran dari keadaan sebenarnya dengan demikian simulasi dapat mengurangi kesalahan pada saat pemembuatan rangkaian yang sebenarnya. PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH a. PSIM PSIM adalah sebuah perangkat lunak simulasi komputer yang dirancang khusus untuk elektronika daya dan kontrol motor. Perangkat lunak PSIM sangat baik digunakan untuk simulasi dalam menganalisis rangkaian konverter, analog dan kontrol digital, mendesain rangkaian kontrol dan mempelajari sistem penggerak dari motor (driver system). Paket perangkat lunak PSIM secara garis besar dapat dibagi atas tiga bagian, yakni Circuit schematic editor-simcad, PSIM Simulator, Waveform processing SIMVIEW. Gambar 1. Ilustrasi Ruang Lingkup Simulasi PSIM Proses dasar dari PSIM adalah seperti yang terlihat pada gambar 2, dimana suatu rangkaian dalam simulasi menggunakan PSIM dibagi dalam empat bagian diantaranya power circuit, control circuit, sensors, dan switch controllers. Power circuits terdiri dari perangkat switching, komponen R, L, C, dan gabungan komponen induktor. Control circuit direpresentasikan dalam bentuk blok diagram, komponennya dalam domain s dan domain z, komponen logika (gerbang logika dan flip-flop) dan komponen-komponen non linear seperti multipliers dan dividers yang digunakan dalam rangkaian kontrol. Sensors digunakan untuk mengukur nilai tegangan dan arus yang akan dilewatkan ke rangkaian kontrol. Sinyal pemicu dihasilkan dari rangkaian kontrol dan dikirim kembali ke rangkaian listrik (rangkaian utama) melalui komponen switching untuk mengontrol proses pensaklaran. Gambar 2. Proses PSIM 2
Dengan kemampun simulasi yang interaktif dari PSIM, diharapkan dapat membantu dan meningkatkan pemahaman peserta didik untuk mempelajari proses kerja serta perilaku dari sebuah sistem. Dengan mengubah nilai-nilai parameter pada saat proses simulasi maka dapat dilihat pula perubahan nilai arus dan tegangan berupa perubahan bentuk gelombang. b. Elektronika Daya Elektronika daya merupakan rangkaian atau sistem untuk memproses atau mengkonversi dan mengontrol aliran energy listrik dari sumber secara optimal sampai ke pemakai atau konsumen. Ruang lingkup elektronika daya mencakup semua bidang teknik listrik baik di industry maupun di rumah tangga. Elektronika daya merupakan salah satu mata pelajaran yang dipelajari khususnya untuk bidang kelistrikan. Secara umum proses konversi pada pelajaran elektronika daya dapat dibedakan atas empat bagian seperti yang telah disebutkan sebelumnya. Gambar 3. Penyearah Satu Fasa Gelombang Penuh Gambar 4. Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Keluaran Penyearah (rectifier) merupakan sebuah perangkat elektronika daya yang digunakan untuk mengkonversi energy listrik alternating current (AC) ke direct current (DC) dengan menggunakan komponen utama dioda. Sedangkan DC-DC converter atau yang dikenal dengan chopper digunakan untuk mengkonversi energy listrik DC ke bentuk energy listrik DC yang lain, dimana tegangan keluarannya dapat lebih besar dan lebih kecil dari masukannya ataupun gabungan dari keduanya. Inverter adalah perangkat elektronika daya yang digunakan untuk mengkonversi energi listrik DC ke AC dimana keluarannya baik tegangan maupun frekuensinya dapat didesain sesuai dengan yang diinginkan. Sedangkan AC voltage controller atau dikenal juga dengan cycloconverter adalah untuk mengkonversi energy listrik AC ke bentuk energi listrik AC yang lain. Dari keempat model konverter yang dijelaskan di atas maka yang dibahas pada tulisan ini adalah jenis penyearah yang tidak dikendalikan. 3
HASIL DAN PEMBAHASAN a. Penyearah satu fasa tidak terkendali Dinamakan penyearah satu fasa tak terkendali karena keluaran dari penyearah ini tidak bisa diatur atau dikendalikan sehingga nilai keluarannya tergantung dari tegangan masukan. arus keluarannya. Bentuk arus masukan yang seharusnya berbentuk sinusoidal tetapi dari hasil simulasi tidak terlihat sinusoidal, hal ini dipengaruhi juga oleh jenis beban yang digunakan. Gambar 5. Penyearah Setengah Gelombang Gambar 7. Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa Gambar 6. Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Gambar 5 adalah penyearah setengah gelombang satu fasa dengan beban R-L dan gambar 6 adalah bentuk gelombang arus dan tegangan masukan dan keluaran. Pada simulasi ini terlihat tegangan masukan berbentuk sinusoidal dan tegangan keluaran berbentuk setengah gelombang namun tidak kontinue begitu juga dengan bentuk Gambar 8. Bentuk Gelombang Arus, Tegangan Masukan dan Keluaran Penyearah Dari gambar di atas dapat dilihat bagaimana bentuk dari gelombang tegangan baik masukan maupun keluaran dari penyearah satu fasa. Dengan demikian penjelasan yang diberikan kepada peserta didik akan lebih mudah dipahami karena penjelasan yang diberikan diiringi dengan bentuk visualnya. 4
b. Penyearah satu fasa terkendali Dikatakan penyearah satu fasa terkendali karena keluarannya dapat diatur atau dikendalikan. Gambar 9 merupakan rangkaian penyearah satu fasa setengah gelombang terkendali. Besar tegangan keluaran dapat diatur dengan cara mengatur sudut penyalaan (alpha) pada thyristor, dengan kata lain besar kecilnya tegangan keluaran dipengaruhi oleh besar kecilnya sudut penyalaan. Penyearah gelombang penuh satu fasa jenis terkendali seperti gambar 11 menggunakan komponen utama thyristor sebanyak empat buah. Seperti penyearah satu fasa setengah gelombang terkendali, untuk gelombang penuh tegangan keluarannya juga dipengaruhi oleh besar kecilnya sudut penyalaan thyristor. Pada penyearah gelombang penuh antara thyristor T1 dan T3 tidak boleh bekerja secara bersamaan begitu juga dengan thyristor T2 dan T4. Gambar 9. Penyearah setengah gelombang terkendali Gambar 11. Rangkaian penyearah satu fasa terkendali Gambar 10. Bentuk gelombang arus dan tegangan Gambar 12. Bentuk gelombang arus dan tegangan dari penyearah satu fasa terkendali 5
c. Penyearah tiga fasa Aplikasi di industri akan lebih baik menggunakan penyearah tiga fasa dari pada satu fasa karena dilihat dari riak tegangan keluaran lebih kecil dari pada riak tegangan keluaran penyearah satu fasa. Selain dari itu, kemampuan dayanya juga lebih besar. Penyearah gelombang penuh tiga fasa memakai komponen utama enam buah dioda. Gambar 13. Penyearah gelombang penuh tiga fasa Gambar 14. Bentuk gelombang dari penyearah gelombang penuh tiga fasa Kelebihan dan kekurangan PSIM dalam pembelajaran elektronika daya a. Merupakan alat bantu yang sangat baik untuk operasi visual dari konverter elektronika daya b. Menggunakan perangkat lunak simulasi dalam proses pembelajaran teori dan pratikum sangat membantu sekali terutama untuk menjelaskan hal-hal yang bersifat abstrak seperti tegangan dan arus listrik serta pesan yang disampaikan kepada peserta didik akan lebih mudah dipahami. c. Pengggunaan perangkat lunak PSIM dapat mensimulasikan berbagai bentuk model konverter dan rangkaian kontrolnya. d. Peserta didik juga dapat menggunakan perangkat lunak ini untuk project work, tulisan ini diharapkan dapat memberikan pendekatan dasar untuk penggunaan perangkat lunak simulasi. e. Agar dapat menggunakan perangkat lunak ini dengan baik maka diperlukan pengetahuan tentang komputer dan pengetahuan yang mendalam mengenai objek yang akan dikerjakan untuk mengidentifikasi kebenaran hasil yang dikerjakan. KESIMPULAN Tulisan ini memberikan gambaran penggunaan perangkat lunak komputer sebagai alat bantu dalam proses pembelajaran. Penggunaan perangkat lunak simulasi akan lebih mempermudah dalam memberikan pemahaman kepada peserta didik dan peserta didik sendiri juga bisa melakukan simulasi sendiri untuk meningkatkan pemahamannya tentang topik yang dipelajari. Dengan demikian pesan yang disampaikan kepada peserta didik akan lebih mudah di pahami dan lebih efisien dari segi waktu terutama untuk hal yang bersifat abstrak yang membutuhkan pemahaman lebih. 6
DAFTAR PUSTAKA [1] Santosh. Raghuwanshi, Kamlesh Gupta dan Purva Trivedi. 2012. Computer Simulation and Analysis of Power Electronic Circuit in Different Simulation Tools. CPMR-IJT Vol. 2 No. 2, Desember 2012, page 34-40. ISSN: 2250-1827. [2] Powersim Technologies Inc. 1990. PSIM-User Manual. Canada [3] Ali Mohamed Eltamaly. Power Electronics. Mansoura University [4] Tracy Sields. Practical Teaching Ideals with Multisim. Electronics Workbench Corporation. Canada [5] Randall Shaffer. 2007. Fundamental of Power Electronics with Matlab. Charles River Media. Boston- Massachusetts [6] Prof. M. Madhusudhan Rao. Power Electronics. M.S. Ramaiah Institute of Technology. Bangalore 560 054. 7